Le potenzialità del fotovoltaico: lo stato dell arte e la ricerca in ENEA

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1 Agenzia Nazionale per le Nuove tecnologie, l Energia l e lo Sviluppo economico sostenibile Le potenzialità del fotovoltaico: lo stato dell arte e la ricerca in ENEA Paola Delli Veneri ENEA - Centro Ricerche Portici

2 Il mercato mondiale Produzione celle fotovoltaiche Produzione 2008: 6850 MW (+80%) 05 vs vs vs 06 Giappone +38,4% +11,3% -9,9% Fonte: Prometheus Institute Europa +51,6% +43,4% +51,3% USA +10,8% +30,9% +13,1% tasso di crescita Altri (Cina, Taiwan, India,ecc.) Totale +128,4% +49,2% +121,4% +41,1% +139,5% +50,7%

3 Il mercato mondiale I primi 15 produttori del 2008 MW vs 07 Posizione 07 Q Cells (Deu) First Solar (US DE Suntech Power (China) Sharp (Jap) Motech (Taiw) Kyocera( Jap) Baoding Yingli (China) JA Solar (China) Sun Power (Philipp.) Solarworld (US/Deu) Trina Solar (China) Sanyo (Jap) Gintech (Taiw) Solarfun (China) Canadian Solar (China) , , ,8 167,5 384 Totale = 4675,6 MW (pari al 67% della produzione mondiale, nel 2007 il totale era di 2888 MW pari al 78%) ,5 473 csi CdTe asi 570,4 47% 1 144% 4 52% 3 30% 2 118% 6 40% 5 98% 8 145% % 12 70% 9 468% 26 27% 7 227% 19 96% % 42 Fonte: Prometheus Institute

4 La produzione fotovoltaica per le differenti tecnologie I wafer di mono e poli-si dominano la produzione FV con 84% nel Dati Fonte: Photon International Aumenti annunciati di capacità produttiva I film sottili hanno aumentato la loro penetrazione nel mercato passando dal 7% al 10% nel 2007; dati non ancora ufficiali del 2008 li danno al 13%.

5 La tecnologia tradizionale: il silicio cristallino Celle record ottenute in laboratorio Tecnologia Area (cm 2 ) Efficienza (%) Laboratorio c-si (monocristallino) 4 25,0 UNSW (Australia) mc-si (policristallino) 1 20,4 FhG-ISE (Germania) Source: Progr. Photovolt: Res. Appl. 2009; 17 p.320

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7 Celle in c-si ad alta efficienza Contatti posteriori SUNPOWER Eterogiunzioni Sanyo

8 Nuove tecnologie FV: perchè?? ORG OSC & DSSC Thin film Bulk

9 Seconda generazioni del fotovoltaico: i film sottili Silicio (Si) Tellururo di Cadmio (CdTe) Diseleniuro di Rame, Indio e Gallio Cu(InGa)Se (CIGS) Celle record ottenute in laboratorio Tecnologia Area (cm 2 ) Efficienza (%) Laboratorio CIGS 0,42 20,0 NREL (USA) CdTe 1 16,7 NREL (USA) a-si/nc-si/nc-si 0,25 12,5 United Solar (USA) Source: Progr. Photovolt: Res. Appl. 2009; 17 p.320

10 Vantaggi della tecnologia a film sottile Riduzione della quantità di materiale attivo Riduzione dell energy-pay-back-time Diretta fabbricazione del modulo sul substrato con la tecnica del laser 150 scribing Spessore in micron Waste taglio wafer Dispositivo

11 Heliantos I prodotti possono essere leggeri e flessibili

12 Annunci di nuove capacità di produzione per i film sottili Industrie FV con le tecnologie dei film sottili: più di 130 compagnie nel mondo La maggior parte sono basate sul silicio. La ragione probabilmente è che molte compagnie offrono sistemi chiavi in mano. Source: Arnulf Jaeger-Waldau EU JRC IE Ispra SLO-PV 2008, Ljubljana

13 Compagnie che offrono linee di produzione chiavi in mano : Applied Materials W. Stein et al., Presented at the 24 rd EU PVSEC (Hamburg 2009) Best 5.7 m 2 single junction a-si module fabricated in the production plant of T-Solar Initial power:430.2 W (η=7.5%) Expected stabilized power: W (η=5.8%) Italian customer of AMAT: Moncada Energy Group (Sicilia) M. Vetter et al., Proceedings of 23 rd EU PVSEC (Valencia 2008)

14 Fotovoltaico a concentrazione Ridotto impiego di materiale: in un modulo fotovoltaico a concentrazione l area del semiconduttore è ridotta proporzionalmente al fattore di concentrazione della luce solare per cui anche nel caso di dispositivi molto complessi e costosi si incide poco sul costo complessivo di sistema si può ovviare al problema della disponibilità dei materiali utilizzati nelle tecnologie fotovoltaiche più diffuse (per l eccesso di domanda Si, o per la scarsa presenza in natura In, Te) Il materiale costoso è sostituito con un ottica di concentrazione a basso costo Fonte Spectrolab L area di celle a concentrazione al GaAs (in rosso) eroga la stessa potenza dell intero campo di calcio se coperto da pannelli piani al silicio (rettangolo bianco)

15 Fotovoltaico a concentrazione Celle record ottenute in laboratorio Tecnologia Area (cm 2 ) Efficienza (%) GaAs 0,050 28,8 Si 1 27,6 GaInP/GaInAs/Ge 0, Intensità (Soli) Source: Progr. Photovolt: Res. Appl. 2009; 17 p.320 News: Spectrolab: 41.6%!!!

16 Le attività di R&S dell ENEA Silicio cristallino Fotovoltaico a concentrazione Film sottili Fotovoltaico di III generazione

17 Silicio cristallino ad alta efficienza Risultati ENEA

18 Silicio cristallino ad alta efficienza Risultati ENEA

19 Concentrazione: l esperienza ENEA Road-map ed obiettivi ENEA Portici Celle: robuste e di alta efficienza Ottica rifrattiva: point focus, / 200X, integrabilità nel modulo Eliostato: due assi, piano 32 m 2, elevata accuratezza di puntamento (+/-0.2 ) Unità base: ~5 kwp per la generazione diffusa e le attività di servizio pubbliche e private Costo di sistema: 4,1 /Wp per volumi di produzione di 5 MWp/anno

20 Concentrazione: cella ENEA in c-si Cella Maschera Griglia quadrata Efficienza (%) Cella da 0,64 cm 2 Cella da 1,21 cm 2 D4406_3(0.3Ωcm,0.64cm 2 ) D4406_27(0.3Ωcm,0.64cm 2 ) C03PH1_4(0.1Ωcm,1.21cm 2 ) C03PH1_10(0.1Ωcm,1.21cm 2 ) C03PH1_15(0.1Ωcm,1.21cm 2 ) C02PH1_8(0.1Ωcm,1.21cm 2 griglia Phocus) Soli Eff. > 22% a 100 soli Eff. > 20% a 200 soli

21 Concentrazione: l esperienza ENEA Lenti rifrattive in materiale acrilico ηopt 80% Lenti prismatiche ηopt 82-83% Lenti ibride prismatiche-fresnel Processi per produzione di massa Lenti: brevetto ENEA Collaborazioni industriali: Borromini

22 Concentrazione: l esperienza ENEA Introduzione di un efficace ottica secondaria nel modulo integrato per: recuperare sulle perdite per disallineamenti aumentare l angolo di accettanza mitigando le specifiche del tracker Current (A) Voc V Isc 6.61 A FF 75 % Rs Ω RSh 536 Ω DNI Power 840 W, Tcell= = 40 C Voltage (V) Collaborazioni industriali: ANSA Compositi Efficienza modulo= 18,7% (riferita all area otticamente attiva)

23 Concentrazione: Modulo con celle triple III-V Sviluppo di un modulo integrato tipo PhoCUS per celle triple MJC MODULE P-V CURVE DNI 840 W Tcell= = 45 C POWER [W] VOLTAGE [V] MJC MODULE I-V CURVE 2,5 2,0 Efficienza modulo= 26,7%!!! (riferita all area otticamente attiva) CURRENT [A] 1,5 1,0 0,5 Voc 66.9 V Isc 2.41 A FF 82 % Rs 1.12 Ω Rsh 358 Ω 0, VOLTAGE [V]

24 Concentrazione: l esperienza ENEA Sistemi di puntamento ENEA Manfredonia I a serie operativo ENEA Manfredonia II a serie in montaggio Inseguitori con piano di 32/35 m 2, alt-azimutale, equipaggiato due sistemi di controllo separati basati su logica open/closed: calcolo della posizione del sole sensore CCD con Collaborazioni industriali Galileo Avionica, ATEC

25 Sviluppo di tecnologie per celle solari a film sottile di silicio Sviluppo di Ossidi trasparenti e conduttivi (TCO) Celle solari tandem micromorph Approcci alla terza generazione

26 Risultati ENEA sullo sviluppo del TCO L utilizzo di un ossido trasparente e conduttore (TCO) è essenziale per incrementare l efficienza delle celle solari a film sottile Richieste per un TCO di qualità: Alta conducibilità elettrica Alta trasparenza Alta capacità di diffondere la luce

27 Risultati ENEA sullo sviluppo del TCO Film di ZnO depositati con tecnica Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LP MOCVD) Deposition system a-si:h p-i-n J (ma/cm 2 ) ZnO SnO 2 V(V) ZnO as deposited ZnO after surface treatment

28 Risultati ENEA sulle celle solari tandem micromorfe a-si μc-si Deposition system p i n p i n 270 nm 1.5 μm Technique: VHF PECVD at 100 MHz Deposition temperature: 150 C Substrate: Glass/SnO 2 Asahi U-type Area: 1 cm X 1 cm J (ma/cm 2 ) η iniziale = 11.3 % η stabilizzata > 10 % 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 V (V)

29 Generazione futura delle celle tandem micromorfe Solar spectrum L idea è quella di ingegnerizzare nuovi materiali con gap di energia opportuna, che assorbano fotoni in un intervallo opportuno di energa, usando l effetto di confinamenti quantistico. Modified micromorph tandem solar cell blue Sun light glass a-si:h μc-si:h ZnO/Ag red TCO p i n p i n Si QDs Si QD based top cell E g ~ ev PECVD growth of Si QDs in SiN x

30 Fotovoltaico di III generazione Area bassa efficienza e costo ridotto Studio e sviluppo di celle polimeriche Celle fotovoltaiche che utilizzano polimeri coniugati semiconduttori come materiali attivi nel processo di fotogenerazione della corrente. Vantaggi: Leggerezza e flessibilità Basso costo delle tecnologie di produzione di dispositivi plastici di ampia superficie Modulazione della band gap tramite introduzioni di gruppi funzionali

31 Fotovoltaico di III generazione Area bassa efficienza e costo ridotto Studio e sviluppo di celle polimeriche EQE (%) Wavelength (nm) P3HT:PCBM (CB) 1:0.8 no anneal 150 C, 60', air 150 C, 60', vacuum Voc = 632 mv Jsc = 6.4 ma/cm 2 FF = 32% Eff. = 1.3% Geometria dispositivo Materiale organico attivo : miscela politiofene/fullerene

32 ENEA Centro Ricerche Portici Grazie per l attenzione