PhoCUS (Photovoltaic Concentrators to Utility Scale), impianto prototipale da 5 kwp. A destra, esempio di integrazione fv in edilizia.

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1 Sistemi fotovoltaici nella sede del Centro Ricerche Enea di Portici. In primo piano tegole fotovoltaiche in silicio amorfo. Un lampione fotovoltaico Stapelia, brevetto Enea con integrazione della tecnologia Led. PhoCUS (Photovoltaic Concentrators to Utility Scale), impianto prototipale da 5 kwp. A destra, esempio di integrazione fv in edilizia.

2 L ENEA E I SUOI STUDI nei principali settori del FV Ricerca italiana L impegno italiano nella ricerca sul fotovoltaico nasce nella prima metà degli anni 80 con l ENEA preposto allo sviluppo della tecnologia. Tuttora l Ente pubblico di ricerca è il principale riferimento italiano del settore. Dalla ricerca di base alla messa a punto di prodotti e processi innovativi nonché lo sviluppo di prototipi e sistemi dimostrativi, ecco in sintesi le attività condotte oggi dall ENEA nei principali settori del FV CARLO PRIVATO Resp. Sezione TER ENE-FOTO Centro Ricerche Enea di Portici La tecnologia fotovoltaica è una tecnologia piuttosto giovane: i primi sistemi fotovoltaici terrestri per la generazione di energia elettrica risalgono solo ai primi anni 80. Il suo sviluppo è stato rapidissimo. La sua capacità di penetrazione ha, però, dei limiti dovuti soprattutto agli alti costi. Si tratta infatti di una tecnologia non competitiva con i tradizionali sistemi di produzione di energia elettrica da fonti fossili se non opportunamente incentivata. Al momento, la Germania, che ha avviato programmi di ricerca sul fotovoltaico già dalla seconda metà degli anni 70 ed ha beneficiato con continuità di inteventi di incentivazione all impiego della tecnologia, è il Paese leader in Europa (e nel mondo, insieme al Giappone). In Italia, la poca coerenza delle strategie di promozione del mercato non ha consentito l affermarsi dell industria nazionale, che Un impianto fv da 9,6 kwp con moduli piani a inseguimento su doppio asse. A destra, lampione fotovoltaico Stapelia. 37

3 Ricerca italiana Nella ricerca sono impegnate 60 persone con un budget, per il 2008, di 2milioni di euro inizialmente, tra la fine degli anni 80 e la prima metà degli anni 90, si collocava tra le prime cinque al mondo. Nella ricerca, l impegno italiano nel settore fotovoltaico è nato solo in leggero ritardo rispetto ad altre realtà internazionali. In considerazione del carattere di ricerca energetica applicata, l E- NEA è stato l Ente pubblico di ricerca preposto allo sviluppo della tecnologia, anche avvalendosi di collaborazioni su temi specifici con il CNR, l Università e i laboratori dell industria nazionale (ENI), e tuttora è il principale riferimento italiano del settore. Le attività di ricerca, sviluppo e dimostrazione sul fotovoltaico sono state avviate in ENEA nei primi anni 80 nell ambito di un programma più generale sulle fonti rinnovabili. Nella prima fase i programmi di ricerca si sono concentrati nel Centro Ricerche della Casaccia (Rm). Successivamente l interesse sul tema è cresciuto e l Ente, con l apertura del Centro Ricerche di Portici (Na) nel 1990, ha creato un vero e proprio Centro di Eccellenza a livello europeo nel settore delle tecnologie fotovoltaiche, dotato, grazie a finanziamenti nazionali ed europei, di attrezzature scientifiche di alto livello e notevoli infrastrutture: edifici per m 3, m 2 di laboratori, 350 m 2 di clean room. Le attività di R&S su cui sono concentrate oggi le risorse dell Ente nel settore fotovoltaico coprono le principali linee strategiche del settore stesso, dalle tecnologie del silicio cristallino, che tuttora dominano il mercato fotovoltaico, alle tecnologie a film sottile di silicio su substrati di basso costo, che stanno gradatamente conquistando uno spazio di rilievo nel settore, fino alle tecnologie emergenti, quali il fotovoltaico a media ed alta concentrazione, che comincia ad affacciarsi sul mercato, e le tecnologie innovative, che allo stato attuale richiedono ancora un forte impegno nella ricerca di base. Inoltre, l ENEA si occupa dello sviluppo di prototipi e della progettazione e sperimentazione di componenti e sistemi dimostrativi, promuovendo la qualificazione dell industria nazionale attraverso la disseminazione e il trasferimento tecnologico. Complessivamente nelle attività di R&S sul fotovoltaico l ENEA è impegnata con 60 ricercatori e tecnici e una spesa per l anno in corso di 2 milioni di. L Ente collabora con i principali laboratori di ricerca pubblici e privati ed è coinvolto in diversi programmi di ricerca europei. Inoltre, l ENEA rappresenta l Italia nell Executive Committee dell Implementing Agreement sul fotovoltaico (PVPS). La partecipazione all Agreement assicura all ENEA la costante informazione sugli sviluppi del fotovoltaico e sulle diverse iniziative nei settori della ricerca, sviluppo, dimostrazione e diffusione nei Paesi partecipanti, peraltro i più attivi nel settore. L ENEA garantisce anche la partecipazione italiana al Celenec, l organismo internazionale per la preparazione di standard e normative tecniche per il settore elettrotecnico. LE ATTIVITÀ DELL ENEA SUL FV: DAL SILICIO CRISTALLINO ALLE TECNOLOGIE EMERGENTI I sistemi fotovoltaici terrestri commerciali sono oggi basati su due linee tecnologiche principali che impiegano l una il silicio cristallino e l altra diversi tipi di semiconduttori depositati direttamente su substrati di larga area in forma di film sottili (con spessori di qualche micron). La tecnologia del silicio mono e multi-cristallino in wafer domina tuttora il mercato fotovoltaico con una fetta del 91%. Per essa non sono prevedibili breakthrough tecnologici ma solo miglioramenti contenuti in termini di efficienza e riduzioni di costo legate all introduzione nei processi industriali di wafer più grandi e più sottili e ad economie di scala. Le attività svolte dall ENEA in questo campo sono finalizzate ad incrementare l efficienza di conversione delle celle mediante l individuazione e la sperimentazione di nuove tecnologie e nuovi processi e/o step di processo suscettibili di essere impiegati in produzione con riduzioni significative dei costi. Per quanto riguarda le tecnologie a film sottili, che al momento ricoprono ancora una quota di mercato molto contenuta (~ 7%), tutti gli scenari delineati da fonti autorevoli sono concordi nel considerarle come la soluzione con le maggiori potenzialità nel medio-lungo termine per una sostanziale riduzione dei prezzi (fino a valori inferiori a 1 /Wp). L ENEA ha scelto di concentrare le attività di ricerca principalmente sul silicio (amorfo e microcristallino), considerato tra le opzioni più promettenti per le sue caratteristiche: possibilità di produzioni di massa a basso costo, ampia disponibilità delle materie prime, buona compatibilità ambientale. Accanto alle tecnologie del silicio cristallino e dei film sottili, comincia ad affacciarsi sul mercato il fotovoltaico a concentrazione (FV-C), che utilizza celle ad altissima efficienza (molto sofisticate e molto più costose per unità di area rispetto a quelle tradizionali), ma di piccole dimensioni (dell ordine di 1 cm 2 o inferiori), con concentratori ottici di grande superficie sempre puntati verso il sole per intercettare ortogonalmente la componente diretta della radiazione solare. La filosofia alla base di questo approc-

4 cio è quella di compensare gli alti costi di sistema (ottica, inseguimento, raffreddamento delle celle) con l alta efficienza delle celle. In questo ambito l ENEA ha sviluppato una tecnologia fotovoltaica a concentrazione a basso costo, modulare, altamente affidabile e a ridotta manutenzione, da diffondere nelle località con elevata insolazione di tipo diretto, tipiche dell Italia meridionale e dei Paesi che si affacciano sul Mediterraneo. Infine, diverse nuove tecnologie, che mirano a superare gli attuali limiti di efficienza di conversione oppure a contenere al massimo i costi di fabbricazione dei dispositivi anche a discapito delle prestazioni degli stessi, sono oggetto di intensa attività di ricerca e sviluppo sia a livello nazionale che internazionale. Anche l ENEA è impegnata in questi studi, e in particolare sull impiego di materiali alternativi di basso costo, come i polimeri o l ossido rameoso, e sull utilizzo di nanostrutture per creare materiali opportunamente ingegnerizzati. Dopo questa rapida descrizione in termini generali delle attività dell ENEA nei principali settori del FV, entriamo in maggior dettaglio. CELLE SOLARI IN SILICIO MULTICRISTALLINO La tecnologia del silicio mono e multi-cristallino è ormai consolidata, ma resta comunque piuttosto dispendiosa che consentono di processare la cella in modo completo, dal wafer al dispositivo, e a una clean room per celle ad alta efficienza, è stata predisposta anche una piccola linea di produzione prepilota. Le attività di R&S più significative riguardano la messa a punto ed ottimizzazione dei processi di fabbricazione di celle di tipo innovativo al silicio multicristallino, con contatti sepolti ed emettitore selettivo, impiegando in particolare processi via laser e tecniche serigrafiche ad alta definizione. Le attività mirano, oltre all ottimizzazione dei dispositivi, al trasferimento dei risultati dal livello di laboratorio a quello industriale, con lo sviluppo di processi di produzione di celle a costo ridotto, che rendano conveniente l industrializzazione. La tecnologia dei contatti sepolti si basa sulla possibilità di nascondere i contatti all interno della cella, creando via laser dei solchi sulla superficie. In questo modo si può ridurre l ombreggiamento dovuto ai contatti saldati direttamente sulla superficie della cella. Con un processo unico messo a punto nei laboratori ENEA sono state realizzate celle in silicio multicristallino a contatti sepolti e griglia metallica ottenuta per serigrafia ad alta risoluzione, caratterizzate da un ombreggiamento della griglia di raccolta inferiore al 6% e un efficienza del 16%. Le celle ad emettitore selettivo, ossia con profili di drogaggio differenti A Portici si studiano tecniche per realizzare celle mc basate su laser, fotolitografia e serigrafia in prossimità dei contatti metallici rispetto alle zone non coperte da metallo, sono caratterizzate da ridotta resistenza di contatto tra silicio e metallo e quindi da valori più alti di tensione di circuito aperto dei dispositivi. Sulle celle solari in silicio multicristallino con serigrafia ad emitter selettivo è stata raggiunta un efficienza del 16%. Un altra attività in corso si inserisce nell ambito delle strategie che mirano alla riduzione dello spessore di silicio. L idea è quella di realizzare dispositivi al silicio policristallino sottile (10-20 Ìm) cresciuto per CVD su substrati a basso costo (ceramica, ribbon), realizzati con tecniche di drogaggio laser e serigrafia. CELLE AD ETEROGIUNZIONE Sempre nell ottica di ridurre i costi del FV, in ENEA vengono realizzate celle solari ad eterogiunzione silicio amorfo silicio cristallino a singola e doppia giunzione. In questi dispositivi la funzione di materiale assorbitore è assolta dal silicio cristallino, mentre il silicio amorfo a film sottile, depositato per PECVD, funge da emettitore. Tali celle uniscono l alta efficienza e la stabilità nel tempo, intrinseche del silicio cristallino, ai vantaggi offerti dal metodo di deposizione basato sul plasma a radiofrequenza. L introduzione di questa tecnica in alternativa al processo convenzionale di formazione della giunzione mediante diffusione, consente di abbattere i costi del prodotto finale, attraverso la riduzione delle temperature del processo di fabbricazione delle celle (circa 250 C contro gli oltre 900 C richiesti dai processi convenzionali), e la riduzione del costo unitario del processo, dovuta alla possibilità energeticamente. A ciò si unisce l attuale scarsa disponibilità di silicio di grado solare. Si vanno dunque diffondendo nuovi metodi di produzione di silicio fotovoltaico, come la tecnologia a nastro (ribbon), che permette di produrre direttamente wafer dello spessore desiderato, evitando i passaggi di taglio ed etching. Si sta cercando anche di sviluppare celle solari sempre più sottili per risparmiare in materia prima. Inoltre la ricerca mira a colmare il divario tra le efficienze dei dispositivi di laboratorio e quelle dei prodotti commerciali. Nei laboratori del Centro Ricerche ENEA della Casaccia sono state messe a punto tecniche realizzative di celle in silicio multicristallino basate su tecnologia laser, fotolitografia e serigrafia. Accanto a tutte le più importanti facilities tecnologiche e di caratterizzazione,

5 Laboratorio di deposizione di celle solari a film sottile di silicio amorfo e microcristallino; particolare della strumentazione. di trattare simultaneamente grandi lotti di wafers. Le eterogiunzioni realizzate in ENEA, in collaborazione con l Università La Sapienza di Roma, hanno mostrato un efficienza dell ordine del 17% su piccola area e del 13% su 50 cm 2. Recentemente è stata presentata un originale soluzione (brevettata) basata sull impiego di eterogiunzioni per realizzare celle back-contact, ossia con entrambe i contatti posizionati sulla faccia posteriore. Questo tipo di cella ha il vantaggio di consentire efficienze più elevate, in quanto viene eliminato l ombreggiamento dovuto alla griglia metallica che costituisce il contatto elettrico anteriore nella tecnologia tradizionale, e di semplificare il montaggio in serie delle celle nel processo di fabbricazione industriale dei moduli. TECNOLOGIA A FILM SOTTILE: DAL SILICIO AMORFO ALLE CELLE MICROMORPH L idea alla base delle tecnologie a film sottili è quella di impiegare substrati a basso costo (vetro, metallo, plastica) insieme a quantità minime di un opportuno semiconduttore con una superiore capacità di assorbimento della radiazione solare rispetto al silicio cristallino. Si tratta di tecnologie che si prestano a produzioni su larga scala, in cui il modulo, anche di grandi dimensioni (fino ad oltre 5m 2 ), è ottenuto direttamente al termine di un processo in linea, e non tramite assemblaggio di celle, come accade invece nel caso del silicio mono e multi-cristallino in wafer. I più elevati tassi di produzione, in termini di metri quadrati di moduli al minuto, insieme alle ridotte quantità di materiale attivo necessarie sono aspetti che indicano buone potenzialità di riduzione dei costi. Inoltre i moduli a film sottile sono particolarmente adatti alle applicazioni in edilizia, in quanto è possibile realizzare elementi fotovoltaici esteticamente attraenti e con elevata adattabilità di forma, dimensione e trasparenza. Le attività di ricerca in ENEA sono concentrate sulla tecnologia dei film sottili di silicio, materiale non costoso, non tossico e ampiamente disponibile in natura, e mirano al miglioramento delle prestazioni dei dispositivi sia in termini di efficienza che stabilità sotto esposizione alla radiazione solare. L ENEA, sin dai primi anni 90, ha sviluppato un ampio programma sul silicio amorfo (a-si) a film sottile nei laboratori del Centro Ricerche ENEA di Portici con l allestimento e la messa in opera di molte apparecchiature ed impianti sperimentali, sia di deposizione e caratterizzazione dei vari strati sottili che compongono una cella su diversi tipi di substrato che di realizzazione e caratterizzazione di celle e moduli integrati. Sono state studiate, progettate, realizzate e ottimizzate diverse celle solari basate su silicio amorfo e sue leghe (SiC, SiGe). In particolare, sono state realizzate giunzioni multiple, sovrapponendo in serie più strati di materiali semiconduttori diversi, con risposta ottimale per intervalli diversi di lunghezze d onda dello spettro della luce solare, allo scopo di sfruttarlo al meglio, e al contempo guadagnare in stabilità del dispositivo. Il record di efficienza del 10,9% è stato ottenuto su una struttura a doppia giunzione a-si/a-si da 1 cm 2 depositata su vetro. Le indicazioni ottenute dallo studio delle celle a piccola area sono state utilizzate per la realizzazione di un modulo con efficienza del 9,1% (7,5% Nel laboratorio per le celle a film sottile si realizzano celle del tipo micromorph, a doppia giunzione. La ricerca sui film sottili è concentrata sul silicio microcristallino, anche accoppiato all amorfo Il laboratorio di Scribing dove si incidono le celle a film sottile per ottimizzare la raccolta delle cariche elettriche fotogenerate e per conferire al modulo i valori di corrente e tensione. stabilizzato), dato confermato dai laboratori del NREL (USA). Da alcuni anni, la ricerca sui film sottili di silicio, in ENEA così come a livello internazionale, si è concentrata sul silicio microcristallino (μc-si). Si tratta di un materiale a fase mista, con regioni cristalline di dimensione molto piccola (decine di nanometri) in un tessuto di silicio amorfo. L interesse per questo tipo di materiale è dovuto alla maggiore stabilità sotto esposizione alla radiazione solare rispetto al silicio amorfo. Dati i diversi valori di gap energetica dei due materiali, il silicio microcristallino può essere accoppiato al silicio amorfo per realizzare dispositivi che sfruttano meglio lo spettro solare e consentono di ottenere effi-

6 cienze stabili più elevate, conservando i vantaggi economici e tecnologici del semplice silicio amorfo. Le celle realizzate in ENEA sono del tipo micromorph, ossia dispositivi a doppia giunzione con una cella posteriore di silicio microcristallino e una anteriore di silicio amorfo. Queste sono depositate su substrati di vetro con la tecnica Very High Frequency - Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (VHF-PECVD), che permette elevate velocità di deposizione con conseguente riduzione dei tempi di lavorazione e quindi dei costi associati. Sono state ottenute celle con un efficienza dell 11,3%, utilizzando uno spessore degli strati attivi intrinseci di circa 1,5 Ìm per la cella microcristallina e di circa 0,3 μm per la cella amorfa, con una temperatura di processo di soli 150 C, il che consente di contenere i consumi energetici di fabbricazione e, soprattutto, di considerare la possibilità di trasferire la tecnologia sviluppata su substrati di tipo polimerico. I dispositivi realizzati hanno dimostrato una buona stabilità all esposizione alla luce, con un degrado dell efficienza valutato inferiore al 10%. SVILUPPO DELL ELETTRODO FRONTALE PER DISPOSITIVI A FILM SOTTILE Nella tecnologia delle celle solari a film sottile si utilizza generalmente un ossido trasparente e conduttivo (TCO) come elettrodo frontale del dispositivo. L ossido deve avere tre importanti qualità: buona conducibilità elettrica, buona trasmissione ottica e un appropriata rugosità superficiale in modo da diffondere la luce che entra nella cella intrappolandola all interno del dispositivo stesso. Queste proprietà del TCO influenzano in maniera cruciale le prestazioni del dispositivo. Il recente sviluppo di celle solari a base di silicio microcristallino ha portato l attenzione internazionale su TCO a base di ZnO, per la sua alta stabilità in plasma di idrogeno e la temperatura di deposizione relativamente bassa, ma al momento non sono ancora commercialmente disponibili substrati di vetro ricoperti di ZnO. Nei laboratori del Centro Ricerche ENEA di Portici è stato progettato e realizzato un impianto Low Pressure - Metalorganic Chemical Vapour Deposition (LP-MOCVD) per la deposizione di film sottili di ZnO drogato su area 30x30 cm 2, con una camera di processo di geometria La progettazione di un sistema a concentrazione è complessa, la cella è molto più sofisticata originale dotata di un sistema innovativo di distribuzione dei reagenti. La messa a punto dei parametri di deposizione ha consentito l ottimizzazione delle proprietà del materiale su larga area sia in termini di uniformità che di rugosità del materiale. Sono stati realizzati film di ZnO:B ad alta trasmittanza (> 82%) nella regione visibile dello spettro solare e bassa resistività ( Ωcm). Le eccellenti proprietà di rugosità, trasmittanza e resistività rendono il materiale realizzato in ENEA idoneo all uso come elettrodo frontale trasparente e conduttivo. FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE A livello internazionale il fotovoltaico a concentrazione è considerato un interessante opzione per ridurre in maniera significativa l incidenza dei costi del componente fotovoltaico. Negli impianti fotovoltaici a concentrazione la radiazione solare non va ad incidere direttamente sulle celle ma viene concentrata da opportune lenti: è come se le celle fossero investite non dalla radiazione proveniente da un unico sole ma da 100, 200 o più soli (in funzione del tipo di lente utilizzata) con una proporzionale riduzione dell area effettiva delle celle solari da utilizzare. La progettazione di un sistema fotovoltaico a concentrazione è più complessa rispetto al fotovoltaico piano, soprattutto se si vuole assicurare un alto grado di affidabilità, mantenere bassa l incidenza della manutenzione e cogliere tutti i vantaggi tecnici ed operativi legati alla concentrazione della radiazione solare. In particolare, il modulo presenta una maggiore complessità, dovuta alla numerosità dei componenti da assemblare, e risulta necessario far uso di un sistema di supporto dei moduli capace di inseguire il sole durante la giornata in modo da massimizzare la radiazione incidente. Inoltre, la struttura delle celle impiegate deve essere più sofisticata per poter ottenere alti valori di efficienza in presenza di una maggiore radiazione solare incidente. L ENEA ha progettato e realizzato un unità standard da 5 kwp, per limitare le dimensioni, e quindi l impatto sul territorio, in grado di lavorare in connessione alla rete a bassa tensione per rispondere alle richieste del crescente mercato della generazione distribuita. Il fattore geometrico di concentrazione è stato fissato a 200X per ridurre le esigenze di precisione dell eliostato e i problemi di rimozione dalle celle del calore prodotto dalla parte della radiazione solare

7 Cella fotovoltaica a concentrazione su dissipatore. La lente ibrida (al centro) è un brevetto dell Enea che ha anche sviluppato tutte le componenti del sistema. Nel laboratorio di caratterizzazione si testa l efficienza delle celle fv a concentrazione. Evaporatori e-beam e termico: deposizione di strati antiriflesso e contatti elettrici suiwafer. Il laboratorio di caratterizzazione delle ottiche primarie e secondarie. Profilometro meccanico per il controllo degli spessori dei metalli depositati. Il Mask Aligner permette il trasferimento delle geometrie delle maschere sui substrati di silicio attraverso processi fotolitografici per la creazione dei contatti elettrici. Pattern generator per la progettazione in Cad ela realizzazione di maschere in quarzo cromo. incidente non trasformata in energia elettrica. Tutte le attività sono state condotte in stretta collaborazione, oltre che con EniPower, con diverse PMI operanti in diversi campi come la Borromini (Stampi), Ansa Compositi (Stampaggio componenti), Atec Robotics (Meccanica ed elettronica). Per la costruzione della prima unità standard sono state impiegate celle commerciali in silicio cristallino (SunPower HECO252), per poi passare a celle messe a punto in ENEA. Per il futuro è previsto anche l utilizzo di celle a più alta efficienza basate sulla tecnologia III-V. Tutti i componenti dell impianto sono stati sviluppati in ENEA con l obiettivo di assicurare un basso costo e un semplice trasferimento tecnologico all industria. Le ottiche prismatiche rifrattive 200X in PMMA (brevetto ENEA), stampate a iniezione, e incollate per formare il parquet ottico del modulo sono un esempio. Le misure hanno confermato un efficienza ottica dell 80% senza alcun trattamento antiriflesso. L ENEA ha già progettato e brevettato un evoluzione di queste lenti per incrementare ulteriormente l efficienza ottica complessiva. Inoltre, la cassa che ospita i diversi componenti che costituiscono il modulo FV- C, realizzata in resina termoindurente caricata di fibre di vetro con un processo di stampaggio a basso costo facilmente industrializzabile (brevetto ENEA- EniPower), è stata concepita per ottenere la giusta resistenza a stress meccanici e agenti atmosferici, risolvere i problemi di isolamento elettrico e resistenza termica, e compensare i differenti coefficienti di dilatazione termica dei vari materiali. E ancora, l eliostato ad elevata precisione di puntamento (<±0,2 sui due assi) è stato dotato di un sistema di controllo a ciclo chiuso che corregge il pun-

8 tamento in modo da garantirne istante per istante la precisione. Le misure sperimentali sui moduli in condizioni operative hanno dimostrato un efficienza su area lorda di circa il 17% (19% rispetto all area otticamente attiva) e il primo sistema installato nel Centro di Portici ha una efficienza del 13%, un risultato molto incoraggiante che dimostra come il FV-C possa consentire consistenti riduzioni di costo. CELLE IN SILICIO CRISTALLINO PER FV A CONCENTRAZIONE Presso i laboratori del Centro Ricerche Enea di Portici è stata messa a punto una linea di fabbricazione di celle ad alta efficienza in silicio cristallino per il fotovoltaico a concentrazione. Come già detto, per poter ottenere alti valori di efficienza in presenza di una maggiore radiazione incidente, la struttura di queste celle deve essere più sofisticata. I dispositivi realizzati presentano un efficienza del 20,4% a 200 soli. Questi risultati sono stati ottenuti ottimizzando i vari step di processo ed integrandoli completamente in clean room. I principali aspetti innovativi riguardano la griglia frontale, riprogettata per ottimizzare la raccolta di luce e minimizzare le perdite ottiche ed elettriche in concentrazione. Il contatto frontale, infatti, deve essere in grado di estrarre le elevate correnti generate nella cella sotto concentrazione (dell ordine di 8 Ampere). Per contenere i costi del dispositivo è stato messo a punto un processo fotolitografico che richiede un unico passaggio di lift off mediante il quale si realizzano griglie in Ti-Pd-Ag di circa 10 μm di altezza e 8 μm di larghezza. CELLE SOLARI POLIMERICHE La scoperta di vari polimeri coniugati e di molecole organiche con proprietà di semiconduttori di tipo n o p e il proliferare di progetti di ricerca volti all applicazione degli stessi in ambito opto-elettronico ha suscitato l interesse della comunità scientifica internazionale per una possibile estensione dell applicazione dei succitati materiali al settore fotovoltaico. Le celle fotovoltaiche organiche sono composte da un elettrodo trasparente conduttivo, un materiale attivo costituito da molecole organiche o polimeri (in quest ultimo caso si parla anche di celle fotovoltaiche polimeriche) e un contro-elettrodo metallico. L assorbimento della luce e la trasformazione in cariche elettriche (elettroni e lacune) avviene ad opera del materiale organico, che è anche responsabile del trasporto agli elettrodi delle cariche fotogenerate. La ricerca sulle celle organiche è considerata ad alto rischio ma ad alta potenzialità. Numerosi lavori pubblicati in letteratura suggeriscono che i semiconduttori organici possiedono le potenzialità per il raggiungimento a medio-lungo termine dell obiettivo di produrre dispositivi fotovoltaici a basso costo potendo essere sintetizzati e poi depositati a bassa temperatura e bassissimo costo industriale su larga area anche su substrati flessibili. Ad oggi, comunque, il principale limite da superare per questa tipologia di celle solari è rappresentato dalla bassa efficienza di conversione (efficienza record 7%), di fatto dimostrata principalmente su dispositivi di area inferiore al centimetro quadrato. Inoltre, sono necessari studi accurati in relazione alla stabilità ed al tempo di vita dei dispositivi assolutamente insufficienti. In ENEA è stato messo a punto un processo di realizzazione di celle fotovoltaiche polimeriche a partire da polimeri semiconduttori già disponibili in commercio e testati anche da altri gruppi di ricerca. Sono state affrontate le varie problematiche connesse con la Nella Camera UV si testa il degrado dei moduli sottoposti all azione delle radiazioni. Camera climatica per prove di tipo termo-umido, di fatica e congelamento. Camera di corrosione a nebbia salina. LABORATORIO PROVE MODULI FOTOVOLTAICI Il Centro Ricerche di Portici è dotato di un laboratorio che svolge attività di valutazione della qualità dei moduli e di determinazione del loro grado di affidabilità e tempo di vita. La qualità dei moduli è una caratteristica di estrema importanza poiché, per il non trascurabile costo della tecnologia, l utente finale deve essere garantito circa la convenienza del suo investimento. L affidabilità ed il tempo di vita, poi, incidono sulle valutazioni economiche e sul tempo di recupero dell investimento. Sono state definite e realizzate le procedure, le metodologie e le tecniche da utilizzare per una diagnosi dei moduli fotovoltaici completa ed esaustiva e per la determinazione dei principali parametri correlabili al loro funzionamento. Sono state inoltre individuate ed acquisite le metodologie di prove ambientali e le apparecchiature da impiegare per sottoporre i dispositivi all invecchiamento artificiale accelerato. Queste prove mirano a verificare il grado di resistenza del modulo alle sollecitazioni che si troverebbe a subire durante il suo tempo di vita e vengono effettuate in un tempo equivalente ragionevole, che si ottiene spingendo al limite i fattori di stress. Tra le varie attrezzature trovano posto, in particolare, una camera UV, per prove di degrado sotto l azione prolungata delle radiazioni UV nelle componenti A e B dello spettro con parametri climatici controllabili, una camera climatica, per prove di tipo termoumido, di fatica termica e di congelamento con ampia scelta dei parametri ambientali, e una camera di corrosione a nebbia salina a livelli di salinità ed acidità controllate. Il laboratorio è attrezzato per svolgere parzialmente le prove di qualificazione dei moduli secondo la normativa vigente sia su moduli di silicio cristallino che a film sottili, ed è impegnato nel fornire supporto tecnico alle imprese nazionali del settore. Numerosi sono gli operatori che richiedono la caratterizzazione di celle e moduli fotovoltaici che intendono importare da Paesi in via di sviluppo, data l offerta competitiva ma con scarse garanzie di qualità. In alcuni casi la richiesta è limitata alla sola determinazione delle caratteristiche di potenza elettrica nominale, ma in altri è estesa all esecuzione di prove ai fini dell accertamento della qualità. I servizi offerti dal laboratorio e le relative quotazioni sono disponibili sul sito

9 deposizione dei materiali polimerici, il controllo della loro morfologia, la realizzazione dei contatti e la caratterizzazione dei dispositivi. Le celle studiate in ENEA sono basate su blend di poly(3- hexylthiophene) e 1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1- phenyl-(6,6)c61. Al momento l efficienza di conversione si attesta intorno a 0,5%, e l efficienza quantica, parametro che fornisce la risposta del dispositivo alle varie lunghezze d onda nello spettro della luce incidente, presenta un picco del 40%, vicino ai valori riportati da altri gruppi di ricerca (intorno al 65%). FOTOVOLTAICO DI NUOVA GENERAZIONE: CELLE A QD DI SILICIO Il fotovoltaico di nuova generazione mira al superamento dei valori di efficienza di conversione dell energia solare dei dispositivi attuali. Gli studi, al momento, sono essenzialmente a carattere teorico o a livello di ricerca di base. Tra i possibili dispositivi innovativi sono state proposte celle a multigiunzione in cui per ognuna delle giunzioni, disposte in serie, sia progettato e realizzato un materiale specifico per la fotogenerazione in un preciso intervallo dello spettro solare. A tale scopo è stato suggerito l utilizzo delle nanostrutture per ingegnerizzare opportunamente i materiale attivi. Relativamente a questo approccio, l ENEA punta all utilizzo di quantum dot (QD) di silicio dispersi in matrici di materiale dielettrico, quali il nitruro e carburo di silicio. In questo caso il materiale fotoattivo è costituito da nanocristalli di silicio di forma pressoché sferica con diametro inferiore a 7 nm immersi in nitruro o carburo di silicio. Controllando dimensioni e densità dei dot è possibile ingegnerizzare il materiale, conferendogli le caratteristiche elettroniche più adatte allo sfruttamento di una parte dello spettro solare. L attività avviata recentemente in ENEA mira alla realizzazione in-situ di strutture con confinamento quantistico mediante crescita di nitruro di silcio non stechiometrico con tecnica PECVD a bassa temperatura. E un approccio promettente che consente di utilizzare l architettura di dispositivo già sviluppata per il fotovoltaico a film sottile di silicio amorfo e microcristallino. DISPOSITIVI A BASE DI OSSIDO RAMEOSO L ENEA ha recentemente avviato delle attività di ricerca relative all ossido rameoso (Cu 2 O) in quanto materiale di basso costo e buona efficienza. Sono state realizzate celle solari di tipo Schottky con livello di efficienza tale da consentirne l utilizzo come strumenti per studi di base su materiale e dispositivi. L efficienza, tuttavia, presenta dei limiti intrinseci apparentemente invalicabili. I ricercatori dell ENEA ritengono che le celle solari ad eterogiunzione siano il vero banco di prova del Cu 2 O. Gli esperimenti finora condotti mostrano efficienze fino al 2% (record assoluto) ottenuto depositando ZnO a temperatura ambiente su Cu 2 O. CONTATTI AGENDA: Responsabile Sezione Tecnologie Fotovoltaiche Responsabile Progetto Fotovoltaico a Concentrazione Ing. Carlo Privato carlo.privato@portici.enea.it Ing. Angelo Sarno angelo.sarno@portici.enea.it Celle a film sottile di silicio Dr.ssa Paola Delli Veneri paola.delliveneri@portici.enea.it Sviluppo TCO Dr.ssa Maria Luisa Addonizio Celle a concentrazione in Si Dr. Pasquale Morvillo Tecnologia dei concentratori Caratterizzazione celle e materiali Ing. Raffaele Fucci Dr.ssa Laura Lancellotti marialuisa.addonizio@portici.enea.it pasquale.morvillo@portici.enea.it raffaele.fucci@portici.enea.it laura.lancellotti@portici.enea.it Tracker e sistemi ottici Ing. Carmine Cancro carmine.cancro@portici.enea.it Fotovoltaico innovativo Dr. Francesco Roca francesco.roca@portici.enea.it Celle polimeriche Dr. Pasquale Morvillo pasquale.morvillo@portici.enea.it Celle a QD di silicio Celle in silicio multicristallino Dr.ssa Lucia Vittoria Mercaldo Dr.ssa Luisa Pirozzi lucia.mercaldo@portici.enea.it pirozzi@casaccia.enea.it Eterogiunzioni Dr. Mario Tucci tucci@casaccia.enea.it Celle basate su ossido rameoso Dr. Alberto Mittiga mittiga@casaccia.enea.it Laboratorio prove moduli Ing. Michele Pellegrino michele.pellegrino@portici.enea.it Sistemi fotovoltaici Area Sperimentale di Monte Aquilone Stapelia Ing. Felice Apicella Ing. Giorgio Graditi Ing. Nicolò Giancaspro Ing. Michele Guerra Arch. Alessandra Scognamiglio felice alessandra.scognamiglio@portici.enea.it L'ENEA, Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente, è un ente pubblico che opera nei settori dell'energia, dell'ambiente e delle nuove tecnologie a supporto delle politiche di competitività e di sviluppo sostenibile del Paese. Le attività di ricerca dell'enea, di base e applicata, con un occhio di riguardo alle ricadute delle tecnologie sviluppate e al loro trasferimento, sono svolte dai cinque Dipartimenti: AMBIENTE, CAMBIAMENTI GLOBALI E SVILUPPO SOSTENIBILE BIOTECNOLOGIE, AGROINDUSTRIA E PROTEZIONE DELLA SALUTE FUSIONE,TECNOLOGIE E PRESIDIO NUCLEARI TECNOLOGIE FISICHE E NUOVI MATERIALI TECNOLOGIE PER L'ENERGIA, FONTI RINNOVABILI E RISPARMIO ENERGETICO che operano negli undici Centri di Ricerca dell'ente. Le attività nel settore fotovoltaico sono svolte presso i Centri di Ricerca di Portici e della Casaccia, all interno del Dipartimento TECNOLOGIE PER L'ENERGIA, FONTI RINNOVABILI E RISPARMIO ENERGETICO. Riportiamo gli indirizzi dei due centri, i siti web di riferimento e i contatti dei responsabili delle varie aree di ricerca.

10 Un prototipo di modulo fotovoltaico sviluppato al Centro di Portici dell Enea. SISTEMI, COMPONENTI E APPLICAZIONI L ENEA è impegnata nell individuazione, realizzazione e sperimentazione di nuove applicazioni per impianti connessi a rete e stand alone, nonché nello studio, progettazione e sperimentazione di componenti. Negli anni a cavallo del 1990 l ENEA ha realizzato in diverse località una serie di impianti dimostrativi di media potenza connessi in rete per la produzione centralizzata di energia elettrica tra cui, nell Area Sperimentale di Monte Aquilone a Manfredonia (FG), l impianto Delphos a falda unica da 300 kw che per un certo periodo è stato il più grande impianto costruito in Europa, e 3 impianti da 100 kw posizionati a terra con moduli disposti in file. Nella seconda metà degli anni 90, in accordo con le tendenze internazionali, l ENEA ha puntato sugli impianti di piccola taglia integrati in edilizia e connessi alla rete di bassa tensione per una produzione decentralizzata, con un ampio programma dimostrativo. Presso il Centro Ricerche di Portici e l Area Sperimentale di Manfredonia sono in corso sperimentazioni e analisi di diverse soluzioni impiantistiche adatte alla generazione diffusa, come gli impianti ibridi fotovoltaico - gruppo elettrogeno per l alimentazione di aree remote, che potranno avere grande spazio nei programmi di collaborazione con i Paesi in via di sviluppo che si affacciano sul Mediterraneo. L ENEA sta anche sperimentando soluzioni adatte alla generazione di idrogeno da fotovoltaico, vista come possibile contributo verso l affermazione della società dell idrogeno. Ricordiamo, inoltre, che l ENEA ha contribuito in passato alla gestione tecnica del Programma Tetti fotovoltaici svolgendo un piano di attività di accompagnamento e supporto al Programma stesso. A tal fine, l ENEA ha studiato e definito, sulla base delle proprie e altrui esperienze, i requisiti tecnici e le prescrizioni relative agli impianti per la generazione distribuita e ha provveduto alla raccolta, analisi e pubblicazione dei dati di funzionamento di un campione di impianti realizzati nell ambito del Programma e allo sviluppo di sistemi dedicati per l acquisizione e la trasmissione dei dati di esercizio (attività che viene ancora svolta per il monitoraggio degli impianti realizzati dalla Regione Lazio). In seguito al lancio del nuovo sistema di incentivazione in Conto Energia, l Ente è stato incaricato dal Ministero dello Sviluppo Economico di monitorare il programma e più in generale lo stato della tecnologia fotovoltaica in Italia. Questa attività sarà svolta nell ambito di un accordo quadro con il GSE e sarà articolata in: 1) valutazione dell avanzamento del programma Conto Energia, attraverso il censimento di tutti gli impianti realizzati, 2) analisi delle prestazioni di impianti e componenti, attraverso il monitoraggio di alcuni impianti campione, e 3) monitoraggio delle iniziative industriali e di ricerca a livello nazionale. INDIRIZZI: ENEA CR Portici Località Granatello Portici (Napoli) tel fax ENEA CR Casaccia Via Anguillarese Roma Tel Fax SITI WEB: wwwcas.casaccia.enea.it/sicri wwwcas.casaccia.enea.it/sicri STAPELIA : UN FIORE FOTOVOLTAICO Tra le soluzioni impiantistiche sviluppate e brevettate dall ENEA suscita particolare interesse il componente per l illuminazione pubblica denominato Stapelia TM. Si tratta di un lampione di nuova concezione che utilizza la tecnologia fotovoltaica per la produzione di energia elettrica e nuovi sistemi di illuminazione a led a basso consumo per la massima efficienza energetica. È caratterizzato da un avveniristico e sofisticato design a forma di fiore volto anche alla valorizzazione dei contesti urbani o ambientali pregevoli. Stapelia TM è il nome di un bellissimo fiore tropicale che è stato riprodotto in una versione tecnologica, realizzando una corolla di cinque petali triangolari costituiti da moduli fotovoltaici di vetro semitrasparenti, ciascuno dei quali contiene celle in silicio cristallino blu scuro. Per consentire un illuminazione diffusa e piacevole, in corrispondenza dei profili inferiori di Stapelia, sono stati collocati led schermati da fogli di plexiglass opalino per diffondere la luce che producono. I petali di Stapelia TM durante il giorno captano l energia solare che viene poi riemessa in forma di luce durante le ore notturne. La corolla di petali è sorretta da una struttura metallica di forma pentagonale che poggia su uno stelo alto 6 metri, in grado di resistere alle intemperie. Nell area verde del Centro Ricerche di Portici sono stati installati cinque di questi fiori solari, che forniscono luce nel rispetto dei vincoli paesaggistici in alternativa ai classici lampioni. Notevole è l interesse che ha suscitato il componente, per la cui industrializzazione, fabbricazione e commercializzazione l ENEA ha stipulato un contratto di licenza non esclusivo con un operatore nazionale.