La cella solare. Cella solare commerciale realizzata con tecnologia serigrafica su substrato di silicio multicristallo

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1 Solare fotovoltaico Prof. Ing. Piercarlo Romagnoni Dipartimento di Progettazione e Pianificazione in Ambienti Complessi Università IUAV di Venezia pierca@iuav.it

2 La cella solare è un dispositivo elettronico capace di convertire direttamente la luce solare in elettricità sfruttando le proprietà di conduzione sotto illuminazione di alcuni materiali semiconduttori Cella solare commerciale realizzata con tecnologia serigrafica su substrato di silicio multicristallo

3 Il funzionamento La cella MATERIALE ISOLANTE Gli elettroni di valenza non si possono allontanare dall atomo in quanto sono bloccati dalla banda di valenza (banda = stato energetico) MATERIALE CONDUTTORE Gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi e il loro movimento, provocato da un campo elettrico, origina la corrente elettrica. La banda di valenza e la banda di conduzione sono sovrapposte.

4 MATERIALE SEMICONDUTTORE Gli elettroni di valenza non si possono muovere come negli isolanti, ma la differenza energetica esistente fra banda di valenza e di conduzione è piccola, pertanto gli elettroni possono passare con facilità nella banda di conduzione se ricevono energia dall esterno. Tale energia può essere fornita dalla luce (effetto fotoelettrico). Grazie all effetto fotoelettrico un semiconduttore diventa conduttore, ma non generatore elettrico!

5 Nella banda di conduzione gli elettroni sono liberi di muoversi. E G corrisponde al quantità minima di energia che è necessario fornire all elettrone per portarlo nella banda di conduzione

6 COME OTTENERE UN GENERATORE ELETTRICO L atomo di silicio ha 4 elettroni di valenza. L atomo di fosforo ha 5 elettroni di valenza. Inserendo atomi di fosforo fra quelli di silicio si crea una struttura avente un elettrone disponibile per la conduzione. Nel silicio si crea quindi un eccesso di cariche negative (elettroni) e si dice che esso è drogato negativamente (N). L atomo di boro ha 3 elettroni di valenza. Inserendo atomi di boro fra quelli del silicio si crea una struttura con zone in cui manca un elettrone (lacune), ossia zone con mancanza di carica negativa. Tutto avviene come se fosse presente una carica positiva. Si dice che il conduttore è drogato positivamente (P).

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8 Giunzione P N La lacuna può essere colmata da un elettrone che si sposta da un atomo vicino formando a sua volta una lacuna. Lo spostamento di elettroni in un verso corrisponde allo spostamento di lacune nel verso opposto. Mettendo a contatto la zona drogata positivamente con quella drogata negativamente si ottiene la cosiddetta giunzione P-N.

9 GIUNZIONE P-N La regione N ha un eccesso di elettroni. La regione P ha un eccesso di lacune. Nella giunzione P-N gli elettroni si diffondono naturalmente dalla regione ad alta densità (N) a quella a bassa densità (P), creando un accumulo di carica negativa nella regione P. Analogamente avviene per le lacune, con formazione di accumulo di lacune (cariche positive) nella regione N. In sostanza, a ridosso della zona di giunzione si stabilisce un campo elettrico Ei interno alla giunzione, il quale, una volta raggiunta la situazione di equilibrio, si oppone alla ulteriore naturale diffusione di cariche.

10 La lacuna può essere colmata da un elettrone che si sposta da un atomo vicino formando a sua volta una lacuna. Lo spostamento di elettroni in un verso corrisponde allo spostamento di lacune nel verso opposto. Mettendo a contatto la zona drogata positivamente con quella drogata negativamente si ottiene la cosiddetta giunzione P-N.

11 GIUNZIONE P-N La regione N ha un eccesso di elettroni. La regione P ha un eccesso di lacune. Nella giunzione P-N gli elettroni si diffondono naturalmente dalla regione ad alta densità (N) a quella a bassa densità (P), creando un accumulo di carica negativa nella regione P. Analogamente avviene per le lacune, con formazione di accumulo di lacune (cariche positive) nella regione N. In sostanza, a ridosso della zona di giunzione si stabilisce un campo elettrico Ei interno alla giunzione, il quale, una volta raggiunta la situazione di equilibrio, si oppone alla ulteriore naturale diffusione di cariche.

12 Applicando dall esterno una tensione DV, la giunzione permette il passaggio della corrente in un solo senso, funzionando come un diodo. Tale situazione viene attuata dall effetto fotovoltaico. La luce fornisce infatti agli elettroni l energia sufficiente (fotoni) per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione. L elettrone, passando nella banda di conduzione, determina una lacuna. Le cariche elettriche sono messe in moto dalla differenza di potenziale presente nella giunzione P-N.

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14 Quando la luce colpisce la superficie del semiconduttore, i fotoni con energia inferiore a E G interagiscono solo debolmente con il semiconduttore. I fotoni con E ph > E G interagiscono con gli elettroni della banda di valenza, rompono il legame e creano una coppia elettrone lacuna. Più elevata è l energia del fotone, più vicino alla superficie viene assorbita l energia

15 Struttura di una cella solare -1 Una cella solare si può schematizzare come: un diodo a giunzione nel substrato di silicio drogato di tipo p (base) vengono diffuse impurezze di fosforo per creare uno strato di tipo n (emitter) e quindi realizzare la giunzione pn emitter (n) base (p) Tramite la giunzione p-n i portatori di carica fotogenerati si separano e possono raggiungere i contatti metallici

16 Struttura di una cella solare con contatti metallici sul fronte e sul retro Contatto di tipo n generalmente realizzato con argento Contatto di tipo p generalmente realizzato con alluminio Tramite i contatti metallici i portatori di carica possono fluire dal diodo verso un circuito esterno...

17 Struttura di una cella solare -3 collegato ad un circuito esterno Il collegamento del dispositivo ad un circuito esterno consente una circolazione di corrente I e la generazione di una tensione V ai capi del carico I V + una potenza elettrica P P = VI

18 La radiazione luminosa è assorbita nelle regioni del semiconduttore adiacenti alla giunzione P-N ed origina le coppie di portatori elettroni lacune. La regione di tipo n, che è sulla parte della cella esposta alla radiazione, è a contatto con una pellicola trasparente di ossido conduttore o da una griglia metallica specificamente progettata per oscurare solo una frazione modesta della superficie. Lo strato conduttore o la griglia metallica costituiscono l elettrodo positivo.

19 Si definisce rendimento di conversione il rapporto tra la massima potenza elettrica generata dalla cella e quella della radiazione solare incidente sulla cella stessa: h = VM IM / Pi A seconda del tipo di applicazione varia lo spettro della radiazione solare che effettivamente incide sulla cella e, conseguentemente, varia il valore del rendimento.

20 Solar cells Eff [%] Laboratorio Produzione Anno Celle solari commerciali sono diodi metallizzati per mezzo di screen printing con griglie in argento e alluminio L efficienza della cella è pari a (1) 12.5% su mc-si con TiO % su mc-si con al nitride 14 15% su mono Dimensioni tipiche sono 100 cm 2, 150 cm 2, 225 cm 2 Il processo consente lo stampaggio di un film antiriflesso in SiN. Il diodo è realizzato per diffusione del fosforo in una fornace con rulli ceramici. (1) Efficienza valutata con condizioni radianti standard di 1000 W/m 2

21 Monocristallino

22 Multicristallino

23 Amorfo

24 Celle a film sottile Cadmio Tellurio (CdTe) materiale policristallino (band gap 1,5 ev) efficienza conversione 9 11% Rame, Indio, Gallio, Selenio (CIGS) materiale policristallino (band gap 1,3 ev) efficienza conversione 10 14% (max 19,5%) spessore substrato attivo 1 2 mm

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26 Il modulo fotovoltaico Un modulo FV consiste di un insieme di celle solari elettricamente connesse e confezionate in un unica unità Tipicamente le celle vengono connesse in serie per aumentare la tensione d uscita del modulo. Generalmente un modulo è costituito da 36 celle per assicurare una tensione maggiore di 12 volts Le celle interconnesse vengono incapsulate (EVA+Tedlar+vetro), laminate ed infine viene montata la cornice

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30 Il sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico è costituito da un insieme di moduli connessi in serie ed in parallelo a seconda dell utilizzo Nella connessione in serie : la tensione è la somma delle tensioni dei singoli moduli la corrente è pari alla corrente di ogni singolo modulo Nella connessione in parallelo : la tensione è pari alla tensione di ogni singolo modulo la corrente è pari alla somma delle correnti dei singoli moduli

31 Applicazioni dei sistemi FV Stand-alone Sistemi isolati perché alimentano direttamente un carico elettrico e la parte eccedente viene accumulata in apposite batterie Grid-connected Sistemi connessi ad una rete di distribuzione perché l energia viene convertita in corrente alternata per il carico utente e/o immessa nella rete con la quale lavora in regime di interscambio

32 Generazione I, II e III : Efficienza in funzione delle proiezioni dei costi per una tecnologia PV di prima, seconda e terza generazione

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34 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA Un generatore elettrico produce una quantità di energia pari al prodotto della propria potenza per il tempo di funzionamento t. E= P t [kwh] P = L/t [kw] L = E = P t [kwh] Le ore di funzionamento annue sono pertanto un parametro importante per la produzione di energia elettrica in un impianto tradizionale e sono pari al n di ore annuo (8760) decurtate delle ore fuori servizio per manutenzione o inconvenienti tecnici. Le ore di fermo di una centrale elettrica sono parte nota del totale, quindi la potenza nominale è un parametro significativo dell energia prodotta. In un impianto PV la P nominale non è significativa in quanto varia in funzione della località e dell istante considerato (giorno, ora e condizioni meteorologiche). L energia solare non è sempre disponibile e varia da un giorno all altro.

35 ENERGIA PRODUCIBILE DA UN IMPIANTO PV IN UN DETERMINATO LUOGO Occorre stimare le ore equivalenti a piena potenza, le quali sono ore fittizie in quanto si riferiscono al funzionamento a potenza nominale. Ad esempio un impianto avente P=5kW che produce 5000 kwh ha 1000 ore equivalenti a piena potenza. La convenienza di un impianto PV aumenta quindi col n di ore equivalenti a piena potenza, pertanto prima della realizzazione dell impianto stesso occorre valutare le risorse solari del luogo. L energia prodotta da un impianto PV dipende da: - RADIAZIONE SOLARE DISPONIBILE, - ORIENTAMENTO E INCLINAZIONE DEI MODULI, - RENDIMENTO DELL IMPIANTO.

36 Dal sito L impianto di potenza complessiva pari a 5 kwp è destinato principalmente ad utenti domestici con consumi indicativamente pari a 6600 kwh equivalenti ad una spesa annua di circa Per questo tipo d'impianto occorrono solamente 40m 2 circa di tetto purchè i moduli fotovoltaici vengano opportunamente orientati verso sud e risultino privi di significativi ombreggiamenti. L impianto, per installazioni standard, viene proposto da Enel il prezzo, chiavi in mano, di ,00 (IVA inclusa). Questo importo comprende anche la predisposizione delle domande al G.S.E. Spa (Tariffa incentivante e Scambio sul Posto) e al Gestore Locale per la connessione dell impianto. Non sono compresi oneri ed adempimenti per la richiesta delle autorizzazioni amministrative ai fini dell'installazione dell'impianto.

37 Alcune regole pratiche. disponibilità dello spazio necessario per installare i moduli (per ogni W p di potenza installata occorrono circa 7/8/12 m 2 di moduli con celle monocristalline/policristalline/thin film); corretta esposizione e inclinazione della suddetta superficie; assenza di ostacoli in grado di creare ombreggiamento. Le condizioni ottimali per l Italia sono: esposizione SUD (accettata anche SUD-EST, SUD-OVEST, con limitata perdita di produzione); inclinazione (accettata anche con limitata perdita di produzione).

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39 L UBICAZIONE DELL IMPIANTO FOTOVOLTAICO L orientamento ideale è a SUD con un angolo di inclinazione tra i 15 e i 45 per i paesi dell Europa meridionale, e tra i 25 e 60 per i paesi dell Europa settentrionale. In Italia le condizioni ottimali per l installazione sono: Esposizione: SUD Inclinazione: 30 assenza d ombreggiamento disponibilità di superficie netta per i moduli: circa 8 10m 2 x kwp Nord Italia: kwh Valori medi annui di producibilità in Italia x 1kWp Centro Italia: kwh Posizione da evitare per una corretta integrazione architettonica Sud Italia: kwh

40 MODALITA DI INTEGRAZIONE dei sistemi PV negli edifici: (Building Integration Photovoltaics BIPV) ESIGENZE: DI RISPARMIO ENERGETICO DI TUTELA AMBIENTALE DI IMMAGINE DI CARATTERE EDUCATIVO E DIMOSTRATIVO

41 Per promuovere l'utilizzo di fonti rinnovabili per la creazione di energia, il 19 Settembre 2005 e' entrata in vigore anche in Italia la possibilità di usufruire di incentivi per la costruzione di impianti fotovoltaici (pannelli solari che producono elettricità), che verranno erogati in "conto energia", ovvero rivendendo tutta l'energia elettrica prodotta direttamente al gestore GSE (Gestore dei servizi elettrici) ad una tariffa incentivante.

42 L'energia prodotta dall'impianto fotovoltaico viene convertita dall'inverter e immessa nella rete locale a bassa tensione. Il primo contatore posizionato dal gestore GSE a valle dell'inverter, conteggia tutta l'energia prodotta dall'impianto, e riconosce al produttore, per venti anni, a seconda della classe di appartenenza definita in base alla potenza, delle tariffe incentivanti che variano al variare della tipologia di impianto e della potenza; in particolare vengono distinte le seguenti tipologie di impianto: 1. Impianto non integrato (es. impianto al suolo) 2. Impianto parzialmente integrato (es. impianti a tetto aderenti alla superficie della copertura) 3. Impianto integrato (es. pensiline con copertura costituita da moduli fotovoltaici)

43 DM 5 Luglio 2012 V Conto energia (GU 10 Luglio 2012) Allegato 4 Caratteristiche e modalità di installazione per applicazioni innovative finalizzate all'integrazione architettonica 1. Caratteristiche costruttive Al fine di accedere alla tariffa di cui all art. 8 del presente decreto, i moduli e i componenti speciali dovranno avere tutte le seguenti caratteristiche: 1. moduli non convenzionali e componenti speciali, sviluppati specificatamente per integrarsi e sostituire elementi architettonici di edifici, energeticamente certificabili, quali: a) coperture degli edifici; b) superfici opache verticali; c) superfici trasparenti o semitrasparenti sulle coperture; d) superfici apribili e assimilabili quali porte, finestre e vetrine anche se non apribili comprensive degli infissi;

44 2. moduli e componenti che abbiano significative innovazioni di carattere tecnologico; 3. moduli progettati e realizzati industrialmente per svolgere, oltre alla produzione di energia elettrica, funzioni architettoniche fondamentali quali: a. protezione o regolazione termica dell'edificio. Ovvero il componente deve garantire il mantenimento dei livelli di fabbisogno energetico dell'edificio ed essere caratterizzato da trasmittanza termica comparabile con quella del componente architettonico sostituito; b. moduli e componenti speciali progettati ed installati per garantire tenuta all'acqua e conseguente impermeabilizzazione della struttura edilizia sottesa; c. moduli e componenti speciali progettati e installati per garantire tenuta meccanica comparabile con l'elemento edilizio sostituito.

45 2. Modalità di installazione Al fine di accedere alla tariffa di cui all art.8 del presente decreto, i moduli e i componenti speciali dovranno, almeno, essere installati secondo le seguenti modalità: 1. i moduli devono sostituire componenti architettonici degli edifici; 2. i moduli devono comunque svolgere una funzione di rivestimento di parti dell'edificio, altrimenti svolta da componenti edilizi non finalizzati alla produzione di energia elettrica; 3. da un punto di vista estetico, il sistema fotovoltaico deve comunque inserirsi armoniosamente nel disegno architettonico dell'edificio.

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