1. Effetto fotovoltaico

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2 Sommario 1. Effetto fotovoltaico Principio fisico Cella fotovoltaica Caratteristiche di cella fotovoltaica Mercato delle celle solari Tipologie di celle Celle a silicio cristallino, monocristallino e policristallino Le celle a film sottile: a Si, CdTe, CIS/CIGS, multi-giunzione, DSSC - organiche, Situazione delle tecnologia a film sottile Applicazioni del fotovoltaico a film sottile Efficienza delle celle solari Generazione di energia da fotovoltaico Irraggiamento solare La radiazione solare Rendimento e producibilità effettiva Le condizioni STC Perdite per riflessione Effetto temperatura Effetto dell irraggiamento Perdite mismatching Perdite nelle linee e collegamenti AC DC Perdite sul sistema DC/AC Perdite per ombreggiamenti Perdite per inquinamento e polvere sui moduli I problemi legati al rendimenti di una cella Considerazioni sul rendimento delle celle solari Produzione delle celle Industria e produzione Impianti fotovoltaici Impianto fotovoltaico Impianto connesso in rete Impianto ad isola (stand alone) Inseguitori solari Caratteristiche degli inseguitori Fotovoltaico a concentrazione Come funziona

3 Dove conviene e perché Riciclo dei moduli fotovoltaici Tecnologie per il riciclo Processo Solar Cells Inc. per c-si Processo BP Solar Processo Cellspa Processo Solar World Processo Firts Solar per CdTe Ricerca in UNIPD Pubblicazione finanziata nell'ambito del Programma per la Cooperazione Transfrontaliera Italia-Slovenia , dal Fondo europeo di sviluppo regionale e dai fondi nazionali. Projekt sofinanciran v okviru Programa čezmejnega sodelovanja Slovenija-Italija iz sredstev Evropskega sklada za regionalni razvoj in nacionalnih sredstev. Il contenuto della presente pubblicazione non rispecchia necessariamente le posizioni ufficiali dell Unione europea. La responsabilità del contenuto della presente pubblicazione appartiene all'autore. 3

4 1. Effetto fotovoltaico Il capitolo descrive il principio fisico attraverso il quale alcuni materiali opportunamente trattati consentono di generare energia elettrica quando sottoposti a radiazione solare. Vengono inoltre descritti i principi di funzionamento di una cella fotovoltaica, elemento base dell industria fotovoltaica PRINCIPIO FISICO A seguito dell effetto fotovoltaico un semiconduttore diventa conduttore ma non per questo diventa un generatore elettrico. Per ottenere un generatore elettrico bisogna realizzare una giunzione PN. La fase di drogaggio di un semiconduttore consiste nell inserire nella struttura cristallina del silicio (elemento tetravalente) alcune impurezze in percentuale molto bassa (~ppm), per formare una giunzione PN: - impurezze tri-valenti (boro); - impurezze penta-valenti (fosforo). L aggiunta di una piccola percentuale di atomi di altri elementi nel cristallo comporta forti cambiamenti nelle proprietà elettriche del cristallo, che viene detto drogato. Tab. 1 - Tipi di drogaggio per semiconduttori nell'industria fotovoltaica. Drogaggio di tipo n FOSFORO (5 elettroni di valenza) fornisce 1 elettrone aggiuntivo (donatore) Drogaggio di tipo p BORO (3 elettroni di valenza) fornisce 1 lacuna aggiuntiva (accettore) L aggiunta di impurità pentavalenti (Sb, As, P) introduce elettroni liberi che non partecipano ai legami covalenti, e aumentano la conduttività del semiconduttore (non si creano lacune). Gli atomi del V gruppo donano un elettrone e per questo vengono detti: donatori. L aggiunta di impurità trivalenti(b, Al, Ga) crea delle assenze di elettroni di valenza (lacune) che aumentano la conduttività del semiconduttore. Gli atomi del III gruppo accettano un elettrone e per questo vengono detti: accettori. 4

5 Ogni atomo di silicio dispone di quattro elettroni nell orbitale più esterno (elettroni di valenza), attraverso i quali forma quattro legami covalenti con altri quattro atomi di silicio. Il reticolo cristallino che ne deriva è molto stabile. Fornendo agli elettroni di valenza una certa quantità di energia sotto forma di luce o di calore essi sono in grado di saltare dalla banda di valenza alla banda conduzione, lasciando uno spazio vuoto nel reticolo cristallino detto lacuna. Il risultato di questo fenomeno (privo di una direzione privilegiata per il movimento delle cariche) è un flusso sia di elettroni che di lacune (in realtà la lacuna non si muove, ma viene occupata dall elettrone più esterno di un atomo adiacente che a sua volta lascia una lacuna nello spazio da esso precedentemente occupato, come se la lacuna si fosse spostata). In condizioni normali questo movimento disordinato di cariche di segno opposto è ostacolato da continui fenomeni di ricombinazione tra elettroni e lacune, ed ha come effetto la produzione di calore. Per limitare nel cristallo di silicio i fenomeni di ricombinazione degli elettroni e per produrre un effetto utile dal punto di vista è necessaria la presenza di un campo elettrico che sia in grado di dare un orientamento preferenziale al movimento degli elettroni; un campo permanente si può ottenere sovrapponendo due strati di silicio drogati con altri elementi chimici. In particolare arricchendo uno dei due strati con atomi di fosforo, che hanno cinque elettroni di valenza, si determina un eccesso di elettroni debolmente legati all atomo perché non coinvolti in legami valenza. Aggiungendo invece atomi di boro (con tre elettroni di valenza) si crea una zona con lacune in eccesso. 5

6 Se i due strati, n (negativo) e p (positiva) vengono sovrapposti si ottiene una giunzione detta p- n che genera un movimento di elettroni verso la zona p, che all equilibrio crea una situazione di neutralità. Se mettiamo a contatto Silicio drogato di tipo p con Silicio drogato tipo n, a causa degli elevato gradiente di concentrazione avremo diffusione: - di lacune da Si-p a Si-n ed - ele5roni da Si-n a Si-p Ad un certo punto la diffusione viene frenata in quanto il travaso di cariche da una parte all altra della giunzione contribuisce a costituire un campo elettrico. L interfaccia della giunzione risulta praticamente vuota di portatori di carica liberi; in questa regione troviamo cariche positive e negative sostanzialmente dovute agli ioni. Nella zona p si concentrano più elettroni e, nella regione di contatto dove è avvenuto il flusso, lo strato presenta una carica negativa; la zona n risulta invece, carica positivamente. In questa maniera si è ottenuto un campo di bassa entità, ma stabile all interno del cristallo di materiale semiconduttore. Quando una cella di silicio viene esposta al sole, gli elettroni di valenza, assorbendo fotoni, acquistano l energia necessaria per saltare da una banda di conduzione e migrare nella zona n: parallelamente le lacune si muovono verso la zona p. Questo fenomeno è detto fotovoltaico. Fig. 1 - Schema di un generatore fotovoltaico (cella fotovoltaica). Collegando, mediante conduttori elettrici, la cella ad un carico si è realizzato un generatore fotovoltaico. Un contatto elettrico deve necessariamente essere a forma di griglia sul lato della cella (altrimenti il dispositivo non vedrebbe la radiazione solare); l altro contatto, sul retro della cella, può essere di qualsiasi forma. Attraverso questi contatti avviene la raccolta delle 6

7 cariche generate per effetto dell esposizione alla luce e, quindi, la circolazione della corrente elettrica nel carico collegato alla cella. Maggiori informazioni (3). 2. Cella fotovoltaica Caratteristiche di cella fotovoltaica Una cella solare altro non è che un diodo a semiconduttore che deve essere attentamente progettato e costruito per assorbire e convertire l energia della luce in energia elettrica. Lo schema di una cella fotovoltaica è rappresentato in Fig. 2. Fig. 2 - Schema di una cella fotovoltaica. E interessante notare la asimmetria esistente tra i parametri dell emettitore (zona n) e la base (zona p). L emettitore è 1000 volte più sottile e volte più dopato e la lunghezza di diffusione è 100 volte più corta di quella corrispondente alla base. Da un punto di vista circuitale una cella solare può essere pensata come un generatore ideale di corrente I SC, in parallelo con due diodi il diodo 1 rappresenta le ricombinazioni nelle regioni quasi-neutre mentre il diodo 2 rappresenta le combinazioni nella regione di svuotamento. Fig. 3 - Schema circuitale di una cella fotovoltaica. 7

8 Le caratteristiche tipiche di una cella sono riassunte dalla cosiddetta curva I-V ; la Fig. 4 illustra un esempio di curva I-V evidenziando anche il punto di potenza massima. Fig. 4 - Diagramma V-I di una cella solare. Quando possiamo dire che una cella è buona? - deve avere una elevata corrente di cortocircuito I SC. - deve avere una elevata tensione a vuoto V 0C. - deve avere un Filling Factor FF il più vicino possibile a 1. La cella deve essere progettata in modo da mantenere al minimo la superficie frontale del contatto, avere la minima riflettenza possibile, ed avere uno spessore ottico tale da consentire l assorbimento di tutti i fotoni con E>E G (E G: energy gap). Globalmente il progetto e l esercizio di una cella efficiente passa attraverso due obiettivi: - minimizzare la velocità di ricombinazione delle coppie lacune elettroni; - massimizzare l assorbimento di fotoni con E>E G. Il rendimento di una cella dipende da una moltitudine di fattori, non solo di natura fisica. La Fig. 5 mostra i principali parametri che influiscono sul rendimento di una cella. 8

9 Fig. 5 - Rendimento delle celle fotovoltaiche MERCATO DELLE CELLE SOLARI Il tipo di cella solare da utilizzare è la prima importante scelta da fare quando si desidera fare un impianto di generazione di energia; essa dipende da una moltitudine di fattori tra i quali ci sono: il costo, la compatibilità con il tipo di applicazione, l ottimizzazione della generazione in funzione delle caratteristiche ambientali e di radiazione sole. La quota del mercato al 2011 per le differenti celle fotovoltaiche è descritto nella Fig. 6. Fig. 6 - Quote di mercato delle celle fotovoltaiche. 9

10 2.3. TIPOLOGIE DI CELLE Di seguito sono descritti i materiali e le tecnologie che hanno guidato e che stanno emergendo nel mercato del fotovoltaico Celle a silicio cristallino, monocristallino e policristallino La maggior parte dei moduli fotovoltaici disponibili attualmente sul mercato, per ragioni storiche e tecnologiche, sono basati su celle solari a silicio cristallino. Essendo stato il silicio il primo materiale semiconduttore ad essere drogato per studi riguardanti l effetto fotoelettrico della giunzione p-n, esso ha ricevuto dall inizio il maggior interesse nella comunità scientifica ed è quello che si è maggiormente diffuso. Le celle solari a silicio cristallino sono prodotte utilizzando sia silicio monocristallino che multicristallino; la prima tecnologia ha una efficienza di conversione maggiore, mentre la seconda ha un costo di produzione minore. A livello di laboratorio non è raro ottenere celle solari con efficienza superiori al 25%. Fig. 7 - Cella solare in silicio monocristallino e policristallino Le celle a film sottile: a Si, CdTe, CIS/CIGS, multi-giunzione, DSSC - organiche, Le celle solari a film sottile, chiamate anche celle solari della seconda generazione sono costituite da materiale semiconduttore quale il silicio amorfo, il telloruro di cadmio o il rame, indio, di-selenide. Questi materiali sono solitamente depositati su un sotto-strato di differente materiale che può essere rigido o flessibile. Le tecnologie a film sottile sono state sviluppate a partire dagli anni 70 con lo scopo di trovare un valido ed economico sostituto alle celle di silicio cristallino. Infatti, l alto costo delle celle e quindi dei moduli è stato per anni il principale ostacolo alla diffusione della tecnologia fotovoltaica nel settore della produzione di energia elettrica. Dal punto di vista teorico il film sottile potrebbe avere prestazioni elettriche migliori rispetto al silicio cristallino grazie alla riduzione dello spessore del materiale attivo che limita gli effetti di ricombinazione (incrementando così la tensione di circuito aperto V 0C ed il fattore di riempimento). Tuttavia il basso coefficiente di assorbimento dei semiconduttori quali il silicio pone pesanti limiti allo spessore minimo da utilizzare per lo strato attivo rendendo così vani i vantaggi appena citati. Una maggiore efficienza viene ottenuta creando trappole per la luce e 10

11 creando particolari tessiture in superficie le quali però, essendo trattamenti operati su scala nanometrica, non sono economiche e fattibili su scala industriale. E interessante osservare la quota di mercato delle differenti tecnologie. La capacità installata per tecnologia è rappresentata dalla Fig. 8. Fig. 8 - Statistiche sviluppo tecnologie a film sottile Silicio amorfo Anche se il silicio è lo stesso elemento chimico usato per le celle mono-multi cristallino, il metodo di deposizione in questo caso non permette la formazione di strutture cristalline La tecnologia a silicio amorfo è caratterizzata da supporti sui quali viene depositato un film di silicio. Rappresenta una tecnologia meno costosa rispetto a pannelli che usano altre forme del silicio. Rendimento record: 13.4% (LG electronics). Criticità: - effetto Staebler Wronski effect: o decadimento del rendimento fino al 30% durante le prime 600 ore di esposizione alla luce solare; o effetto reversibile; o i rendimenti su data sheet sono rendimenti stabilizzati; - uso NF3; - bassa efficienza non ripagata dal ridotto costo il che si traduce in alti costi BOS; - impatto a-si minore di c-si in termini di energia, maggiore in termini di utilizzo risorse idriche l industria del fotovoltaico. orientate e gli atomi di silicio sono connessi uno all altro in modo non ordinato. Il materiale di partenza usato per la deposizione dello strato amorfo su uno strato ausiliario (solitamente vetro o acciaio inossidabile) è il Silano (SiH 4). Il fatto di usare un differente materiale di partenza permette di rendere la produzione della cella solare indipendente dalla volatilità dei prezzi del polysilicon, fattore che durante il periodo di sua carenza, ha fortemente intaccato Il tipico band-gap di una cella a silicio amorfo è dell ordine dei 1.75 ev e la più alta efficienza ottenuta in laboratorio si attesta sul 13.4% (LG electronics nel 2012). E necessario osservare che questa tecnologia soffre dell effetto di Staebler Wronski, una degradazione indotta dalla luce durante le prime 200 ore di esposizione alla radiazione solare; la perdita di efficienza può essere 11

12 sull ordine del 30%. L effetto è reversibile, ciò significa che l efficienza iniziale può essere ottenuta ricorrendo ad un processo di ricottura termica della cella. Le aspettative per questa tecnologia sono di raggiungere una efficienza maggiore del 10% ed un costo di produzione di gran lunga inferiore al silicio cristallino in modo da renderla interessante per una ampia gamma di applicazioni. Fig. 9 - Schema di una cella a silicio amorfo: il vetro, il silicio amorfo (grigio scuro), il Transparent Contact Oxide (TCO, grigio chiaro) e il contatto posteriore (bianco) Celle CdTe La sinterizzazione del telloruro di cadmio risale al 1879 da parte di Margotten. Le prime sperimentazioni sulle proprietà semiconduttive risalgono al 1954 quando Jenny e Bube scoprirono la possibilità di Rendimento Record: 20.3% (First Solar) Caratteristiche in breve: eseguire drogaggi di tipo n e di tipo p il CdTe. Nel 1976 venne realizzata da Bonnet la prima cella - Tossicità Cd avente una efficienza del 6%; o Non tossicità CdTe o Bando Cd in Europa sebbene siano state tra le prime - Problemi in caso incendio ad essere studiate nell era del o Stabilità CdTe incapsulato a temperature incendio fotovoltaico dovettero passare - Problemi generali di riciclo altri 20 anni prima che una cella - o Sistema di riciclo funzionante per questa tecnologia raggiungesse una maturità tale da Scarsità di Te essere introdotta nel mercato. Nel 2011, Fig. 12, il CdTe tra le tecnologie a film sottile è quella con la quota maggiore di mercato. Il materiale CdTe è un semiconduttore a band-gap diretto con un energy gap di 1.5 ev; esso presenta uno spettro di assorbimento della radiazione che permette la conversione di una larga banda delle lunghezze d onda e ciò lo rende una delle scelte più interessanti per le applicazioni fotovoltaiche con film sottile. I moduli a CdTe sono costituiti da celle basate sull etero-giunzione formata da CdS tipo n e CdTe di tipo p. Il record di efficienza è stato ottenuto da GE Global Research con un 18.3%, solitamente l efficienza della cella è sull ordine del 12.5%. 12

13 Fig Schema celle CdTe. Presumibilmente la tecnologia a CdTe non raggiungerà mai la leadership di mercato a causa di problemi di disponibilità del materiale di base; tuttavia risulta essere un interessante alternative al silicio cristallino nella applicazioni multi-megawatt e soprattutto in applicazioni in ambienti ad elevate temperature CIS/CIGS Le celle CIGS sono una delle configurazioni più innovative nel panorama dell industria fotovoltaica. Sono prodotte con un composto di rame, indio, gallio e selenio depositato su uno vetro o su uno strato flessibile. I pannelli in rame indio gallio e selenio, nell ambito del fotovoltaico a film sottile sono una tecnologia piuttosto promettente. Rendimento record: 20.3% (ZSW). Caratteristiche: - Scarsità In o volatilità costo; o possibile sostituzione di In con Zn - uso CdS o possibile Bando EU; o possibile sostituzione di CdS con altri composti per realizzare lo strato n-type. solare (aumento della versatilità della cella). Le celle CIS (CuInSe 2) hanno la peculiarità di assorbire il 99% della radiazione solare utilizzando pochi micron di materiale fotoelettrico; questo fa sì che la cella abbia una delle più alte efficienze disponibili sul mercato. Aggiungendo piccole dosi di Gallio si realizzano le celle CIGS (Cu(In 1xGa x)se 2) aventi efficienza ancora maggiore lungo l intero spettro della radiazione Grazie alla sua alta e stabile efficienza energetica le celle CIGS possono essere considerate le più promettenti per il mercato fotovoltaico, tuttavia il loro elevato costo di fabbricazione ne riducono fortemente l attrattività. Ci sono anche altri aspetti da considerare: il primo riguarda la disponibilità di Indio, il cui prezzo e mercato è legato alla industria degli LCD; il secondo è legato all uso del CdS in uno degli strati che compongono la cella. La ricerca ha buone prospettive per quanto riguarda la sostituzione dei materiali mentre una sensibile riduzione dei costi pare ancora piuttosto lontana. 13

14 Celle solari multi-giunzione Esiste un limite termodinamico per l efficienza delle celle a singola giunzione, esso è del 40.7%. Per superare tale limite le l industria del fotovoltaico produce celle a multi-giunzione. Il principio che sta alla base consiste nella ricerca dell assorbimento della maggior parte possibile dello spettro solare. Le celle multi-giunzione sono formate dalla sovrapposizione di più "film sottili" di semiconduttori aventi caratteristiche diverse fra loro (devono avere gap di energia diversi), così che ciascuno strato possa assorbire in modo ottimale un preciso spettro di radiazione solare. La cella che sta nella parte superiore agisce come una sorta di filtro per le celli che stanno sotto, essa assorbe i fotoni con la più alta energia e lascia passare quelli ad energia minore che raggiungono le celle successive. A titolo di esempio, per una cella a 3 giunzioni, nei confronti dello spettro solare di Fig. 11 le energy-gap delle tre celle sono: E G1, che assorbe I fotoni con la più alta energia, hν>e G1; la cella intermedia assorbe la radiazione i cui fotoni hanno energia E G2<hν<E G1, con E G2 che rappresenta il valore della sua energy-gap e la cella alla base che assorbe fotoni con energia E G3<hν<E G2. Fig Spettro radiazione e celle multi-giunzione. Le celle multi-giunzione sono solitamente prodotte usando GaAs, GaInP, InP, GaInAs, e Ge. Le connessioni elettriche possono essere separate per ogni sotto-cella che può essere resa elettricamente indipendente l una dall altra. Possono anche essere connesse l una con l altra ma questa soluzione riduce le prestazioni complessive. Il record di efficienza viene raggiunto per applicazioni con la concentrazione: 44%. Il loro sviluppo su larga scala è limitato a causa del loro alto costo e della relativamente bassa affidabilità Situazione delle tecnologia a film sottile La Fig. 12 mostra, a livello internazionale, la quota di mercato anno per anno coperta dalle tre principali tecnologie a film sottile. 14

15 Fig Quota di mercato delle tecnologie a film sottile. In termini di capacità installata a livello mondiale, le statistiche annuali per le tecnologie a film sottile sono descritte nella Fig. 13. Fig Statistiche produzione celle con tecnologia a film sottile DSSC Celle organiche Con l obiettivo di ottenere alti rendimenti per le celle ad un costo finale sempre minore, la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di celle basate su materiali inorganici o polimerici aventi un effetto fotoelettrico. Le celle DSSC (Dye Sensitized Solar Cells) sono una tecnologia emersa dal nuovo filone di ricerche composte da uno strato di vetro conduttivo (anodo) associato ad uno 15

16 strato semiconduttore di particelle nanometriche di ossido di titanio TiO 2 depositato con il processo di sputtering. Lo strato semiconduttore è imbevuto di materiale organico con proprietà fotoelettriche le cui molecole si dispongono lungo i bordi dei grani del semiconduttore. Quando la tintura di materiale organico viene interessata dalla radiazione solare, i fotoni causano un trasferimento di un elettrone dallo strato organico allo strato di materiale semiconduttore che è a contatto con il vetro conduttivo che agisce da connessione tra cella e circuito elettrico. Il circuito elettrico è chiuso attraverso un secondo elettrodo (catodo) composto da una piastra di vetro avente un strato catalizzatore poroso con struttura micro-cristallina di platino o carbonio e un elettrolita che chiude effettivamente il circuito elettrico. La Fig. 14 schematizza una cella solare DSSC. Fig Schema di una cella DSSC. Le celle DSSC come le altre tecnologie organiche sono riuscite a raggiungere una efficienza sull ordine del 11,4%; il principale vantaggio è il processo di fabbricazione molto economico e poco energivoro. Nonostante queste caratteristiche positive nel breve periodo presumibilmente non raggiungeranno una quota di mercato rilevante Applicazioni del fotovoltaico a film sottile Le tecnologie a-si, Cd-Te e CIGS molto adatte ad applicazioni con luce diffusa o scarsa intensità della radiazione solare. Cd-Te e a-si molto adatti per climi caldi (basso coefficiente di temperatura). I moduli flessibili risultano particolarmente adatti all uso su coperture. Moduli vetro vetro colorati o semitrasparenti risultano adatti a integrazione architettonica. 16

17 Fig Esempio applicazione fotovoltaico a film sottile EFFICIENZA DELLE CELLE SOLARI Partendo dagli anni 80 l industria del fotovoltaico ha sviluppato un ampia gamma di tecnologie e processi per migliorare l efficienza della cella fotovoltaica. Lo stato dell arte della ricerca sull efficienza delle celle fotovoltaiche è riassunto nel diagramma scaricabile dalla home page del sito del National Center for Photovoltaics raggiungibile da questo indirizzo: La Fig. 16 mostra la situazione dai primi anni 70 ed è aggiornata a maggio

18 Fig Evoluzione storica dell'efficienza delle celle fotovoltaiche. 3. Generazione di energia da fotovoltaico La quantità di energia effettivamente prodotta da un impianto dipende da una moltitudine di fattori. In questo capitolo ne verranno analizzati i principali, mentre gli aspetti tecnologici delle celle solari sono stati investigati nel capitolo IRRAGGIAMENTO SOLARE All interno del sole, a temperature di alcuni milioni di gradi centigradi, avvengono reazioni termonucleari di fusione, che sprigionano enormi quantità di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. La potenza del campo elettromagnetico incidente sull unità di superficie prende il nome di irraggiamento solare. Si misura in W/m 2. 18

19 Fig Spettro solare. L irraggiamento solare sulla superficie dell atmosfera è pari a 1367 W/ m 2. Nell attraversare l atmosfera terrestre l irraggiamento solare si attenua, perché viene in parte riflesso e assorbito. L irraggiamento solare al suolo raggiunge il valore di 1000 W/m 2 in condizioni di cielo sereno a mezzogiorno. L irraggiamento solare incidente una certa superficie è ovviamente influenzato anche dalla stagione, dall angolo di azimut, dall angolo di inclinazione e dall ora in cui la superficie irradiata viene esposta. L influenza dell atmosfera terrestre sulla radiazione elettromagnetica, rilevata su un punto della superficie terrestre in un determinato istante è rappresentata dall indice massa d aria AM (Air Mass) che vale: AM = 1 / cosθ Fig Movimento del sole. dove: - θ = è l angolo di elevazione del sole sull orizzonte nell istante considerato; Valori tipici di AM: - AM0: sulla superficie esterna dell atmosfera (nessuna attenuazione); 19

20 - AM1: al livello del mare in una bella giornata con il sole allo zenit (cos θ = 1); - AM1,5: condizioni STC; - AM2: al livello del mare in una bella giornata con il sole a 30 sopra l orizzonte La radiazione solare La radiazione solare è l integrale nel tempo dell irraggiamento e corrisponde all'energia che si può raccogliere in un periodo di tempo definito in una superficie piana orizzontale e si misura in kwh/m 2 ed è dipendente da molti parametri: latitudine, clima, orografia, caratteristiche meteorologiche, etc. Esistono delle relazioni che ci consentono di calcolare direttamente i valori della radiazione in funzione dei parametri citati, ma oramai esistono in rete, disponibili freeware, dei supporti di calcolo molto comodi che consentono di identificare in modo diretto tali valori. Tra le fonti disponibili si possono citare: - Banca dati ENEA h3p://www.solaritaly.enea.it/ - Norma UNI e UNI IQBAL - Atlante Solare Europeo PVGIS h3p://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Spesso la radiazione solare si indica in termini di ore annue equivalenti cioè il numero che permette di calcolare l energia elettrica prodotta dall impianto. Se in un anno la radiazione è 1200 kwh/m 2, si può assumere che sia dovuta ad un irraggiamento di 1 kw/m 2 (condizione STC) per un tempo equivalente pari a 1200 ore RENDIMENTO E PRODUCIBILITÀ EFFETTIVA Molti fattori concorrono a ridurre la capacità di una cella a generare energia elettrica. Di seguito una panoramica delle voci di perdita più frequenti e importanti Le condizioni STC Al fine di confrontare le prestazioni tra celle di materiale, tecnologie costruttive e produttori differenti, vi è la necessità di standardizzare i test di performance delle celle. Le condizioni di prova STC (Standard Test Conditions) sono definite dalla norma IEC/EN e sono: - distribuzione spettrale AM 1,5; - temperatura delle celle 25 C; - costante solare 1000 W/m 2. Osservazione: l efficienza di conversione non è relazionata all energia che il pannello FV produce a parità di potenza nominale bensì, l efficienza di conversione influisce sulla superficie richiesta per un impianto a parità di potenza da installare. Efficienza di conversione = P nom Area pannello A parità di superficie disponibile con una tecnologia più efficiente si possono installare potenze maggiori. 20

21 Perdite per riflessione Le perdite per riflessione risultano intrinseche con la costruzione degli impianti fotovoltaici (angolo limite di riflessione). Solo particolari ambienti circostanti (es. grandi superfici di colore chiaro) possono aiutare a ridurne il valore. La stima di una perdita di energia di circa il 3% in siti senza particolari condizioni favorevoli risulta del tutto ragionevole. Il portale PVGIS permette di stimare le perdite per riflessione sulla superficie fotovoltaica Effetto temperatura La potenza di una cella fotovoltaica cambia al variare della temperatura. Le condizioni STC definiscono le misure dei parametri a 25 C. La temperatura di lavoro delle celle è normalmente superiore a tale valore definito dalla normativa. La temperatura delle celle cambia di ora in ora e di giorno in giorno, quindi bisognerebbe rilevare o ipotizzare l andamento della temperatura delle celle durante un giorno tipico del mese e poi utilizzare programmi di calcolo per valutare la produzione di energia elettrica in un anno. Da questi algoritmi si può rilevare che mediamente le perdite, per pannelli in silicio cristallino variano dal 6% all 11%, purché sia garantita una corretta ventilazione sul retro dei pannelli. In caso di pannelli con assenza di ventilazione, le perdite per temperatura possono aumentare fino al 15%. La potenza erogata diminuisce con l aumento della temperatura. La tensione a vuoto V OC diminuisce all aumentare della temperatura. La corrente di corto I SC aumenta all aumentare della temperatura (Fig. 19). Fig Effetto della temperatura Effetto dell irraggiamento La tensione a vuoto V OC diminuisce di poco al diminuire dell irraggiamento. La corrente di corto I SC diminuisce circa linearmente al diminuire dell irraggiamento. Al diminuire dell irraggiamento, generalmente cala il rendimento della cella (dato indicativo a 200 W/m 2 ) 21

22 Per mantenere alti rendimento e generazione elettrica è necessario un dispositivo di inseguimento della potenza massima Perdite mismatching Sono dovute alla non uniformità di prestazioni elettriche fornite dai vari moduli: - non uniformità di pannelli in serie (mismatching in corrente); - non uniformità delle stringhe in parallelo (mismatching in tensione). Le perdite per mismatching non consentono di sfruttare completamente la potenza di targa dei singoli pannelli. È quindi un fattore di perdita che dipende dalla qualità del prodotto installato e dalla capacità di saper accoppiare in modo efficiente i moduli FV. Le perdite per mismatching risultano quindi funzione dell architettura elettrica del generatore fotovoltaico con un valore indicativo minimo dell 1% per piccole potenze (qualche Wp), 3 4% per medie potenze (qualche kwp), 5 6% per grandi potenze (MWp), a meno di opportuni provvedimenti compensativi Perdite nelle linee e collegamenti AC DC La resistenza dei cavi elettrici, la resistenza di contatto sugli interruttori e le perdite per caduta di tensione sui diodi di blocco di protezione delle stringhe sono alcune delle perdite che compongono le perdite sui circuiti elettrici in corrente continua e alternata. È una perdita che si può ridurre utilizzando componenti appropriati come diodi di blocco a bassa caduta di tensione o sezione dei cavi maggiori. Una buona progettazione elettrica consente di contenere tali perdite entro il 1-2% (in relazione alla potenza installata e di conseguenza alle distanze caratteristiche delle linee) Perdite sul sistema DC/AC Sono dovute alla curva di efficienza del sistema di conversione DC/AC (inverter). La stima dipende dal tipo di convertitore utilizzato (con o senza trasformatore) e dalla qualità del prodotto scelto. Tutti i produttori di inverter forniscono sia il valore del rendimento massimo che il valore del rendimento europeo (calcolato pesando opportunamente le efficienze di conversione a diversi carichi parziali). Rendimento europeo: η EURO = 0,03 x η 5% + 0,06 x η 10% + 0,13 x η 20% + 0,10 x η 30% + 0,48 x η 50% + 0,20 x η 100% Perdite per ombreggiamenti Le perdite per ombreggiamento reciproco tra moduli adiacenti sono dovute alla geometria e alla disposizione del campo fotovoltaico oltre che ad eventuali ostacoli presenti (camini, alberi, antenne della TV, tralicci elettrici, ecc.). Tutti questi fenomeni possono ridurre anche sensibilmente le ore di sole nell arco delle giornate soprattutto in inverno. Sono perdite variabili che vanno calcolate di volta in volta tramite appositi software o tramite calcoli/valutazioni da condurre in sede progettuale Perdite per inquinamento e polvere sui moduli Sono strettamente legate al sito di installazione e quindi alle condizioni meteorologiche. Possono essere dovute a polveri che si depositano sulle superfici fotovoltaiche, guano di animali, foglie, ecc. 22

23 In genere siti a bassa piovosità hanno perdite maggiori (effetto lavante dell acqua piovana soprattutto per tilt compresi tra ). Le perdite dovute agli effetti appena descritti si possono stimare intorno all 1% I problemi legati al rendimenti di una cella Contatti I contatti sono strutture costruite sulle facce della giunzione p-n che consentono ai portatori di carica di uscire dalla giunzione per essere disponibili in un circuito esterno. Nel caso delle celle solari i contatti consentono di estrarre i portatori generati dalla luce nello strato assorbitore (lo strato drogato p). I contatti dovrebbero essere selettivi ovvero lasciare passare i portatori di un tipo dal silicio al metallo e bloccare i portatori di segno opposto. Un contatto diretto metallo-si di solito non si comporta in questa maniera. L approccio maggiormente usato è quello che vede l inserimento di una regione pesantemente dopata sotto al metallo, di tipo p per l estrazione delle lacune e di tipo n per l estrazione degli elettroni. I portatori maggioritari in questa regione transitano senza provocare grosse cadute di tensione ovvero presentando resistenze molto basse. Il trasporto invece dei portatori minoritari è descritto dalla velocità di ricombinazione superficiale (SRV). Sebbene la SRV sia elevata, limitata solo dalla diffusione termica, la concentrazione dei portatori minoritari, per un dato prodotto p x n, è compensata dall alto grado di doping e in questo modo il flusso è ridotto. Il contatto per i portatori minoritari è di solito inserito nella parte frontale della cella (quella illuminata) e il corrispondente strato altamente dopato è detto emettitore. La regione drogata sotto il contatto per i portatori minoritari, sul retro della cella è detto BSF (Back Surface Field) Considerazioni sul rendimento delle celle solari Sono stati fatti diversi studi e vi è un forte interesse ad aumentare il rendimento di cella degli impianti fotovoltaici. Tutti questi studi sono fondamentalmente rivolti a diminuire le possibili perdite. In definitiva, le principali perdite possono essere così elencate: - riflessioni: evitare le perdite per riflessione e fare in modo che la luce che arriva alla cella sia intrappolata il più possibile; - ricombinazioni: minimizzare le ricombinazioni; - contatti: i contatti devono essere per quanto possibile simili ai contatti ideali, non devono creare ombre e devono opporre resistenza quasi nulla; - non ci devono essere perdite di trasporto nel substrato. La cella ottimale dovrebbe usare materiale intrinseco, per minimizzare il meccanismo di ricombinazione di Auger e il meccanismo di assorbimento dei portatori, e dovrebbe essere spessa 80 μm, essendo questo uno spessore che rappresenta un buon compromesso tra assorbimento e ricombinazione. La cella ottimale dovrebbe raggiungere un rendimento di circa e a 25 C. 23

24 4. Produzione delle celle Il silicio si trova nell ambiente terrestre in forma di ossido e in particolare sotto forma di SiO 2 (silice). Un primo processo necessario per renderlo libero dall ossigeno è quello della carboriduzione che consente di ottenere il cosiddetto silicio di grado metallurgico con purezze molto basse. Esistono alcuni processi che, dapprima mediante la trasformazione del silicio in Silani o Triclorosilani e poi la deposizione CVD di tali gas, producono silicio di elevata purezza (il polysilicon). Il polysilicon viene fuso e fatto solidificare in forme e quantità diverse per creare i lingotti di silicio aventi una struttura mono o multi-cristallino dai quali si ricavano i wafer, elemento base per la costruzione di celle basate su silicio cristallino. Le celle al silicio dominano attualmente il mercato del fotovoltaico. Si stima che circa il 90% dei moduli prodotti in tutto il mondo siano basati sulla tecnologia del silicio. Questa tendenza si manifesterà almeno per i prossimi anni. La proporzione tra mono e multi è praticamente al 50% con una tendenza del mono a superare nei prossimi anni il multi. Fig Esempio della struttura di una cella fotovoltaica. Ad uno sguardo veloce, i moduli fotovoltaico potrebbero sembrare prodotti estremamente semplici, composti da pannelli di vetro, un materiale con effetto foto-elettrico e delle 24

25 connessioni elettriche. Per arrivare al prodotto finito però sono necessari processi estremamente complicati che spesso necessitano di grandi quantità di energia. Silicio o quarzo Carboriduzione raffinazione del polysilicon wafering creazione del lingotto cristallizzazione assemblaggio dei moduli Fig Processo di produzione di una cella fotovoltaica. La produzione di un modulo a silicio cristallino, sia esso con struttura mono o poli cristallina, inizia dalla raffinazione del materiale grezzo e termina con la fase di assemblaggio. Il processo richiede notevoli quantità di energia, grandi competenze, conoscenze, tecnologie e laddove possibile può essere automatizzato industrialmente. Si parte dal silicio un elemento estremamente abbondante in natura (il 27% della crosta terrestre è composta da silicio) ma disponibile in una forma non compatibile con le applicazioni fotovoltaiche: è necessario un processo di raffinazione piuttosto energivoro. La raffinazione parte dai minerali di silicio e fino ai primi anni del 2000, industria del fotovoltaico e industria dei microprocessori condividevano la stessa filiera. Il primo processo per purificare il silicio consiste nella carboriduzione della silice, solitamente in forni ad arco elettrico, fino ad ottenere silicio cosiddetto metallurgico con una purezza tra il 98% e 99.5%. Questo silicio non può ancora essere utilizzato per la produzione di celle fotovoltaiche e necessita di un ulteriore processo di purificazione. Il processo attualmente più utilizzato nell industria fotovoltaica è il processo Siemens, un operazione che richiede grandi quantità di energia e che porta alla produzione del polysilicon. La produzione del silicio di grado elettronico passa attraverso 4 fasi distinte: - preparazione/sintesi di idruri volatili di silicio - purificazione di tali composti - decomposizione di silicio elementare 25

26 - riciclo dei prodotti di scarto Fig Polysilicon. A questo punto, il polysilicon necessita di essere ulteriormente lavorato al fine di ottenerne una struttura cristallina adatta ad un utilizzo fotovoltaico. A seconda che si desideri ottenere una struttura mono o policristallino i processi che si utilizzano si chiamano: Czochralski (CZ) e Floating Zone (FZ) per il mono-cristallino e solidificazione direzionale per la struttura policristallina. A causa del processo di solidificazione i lingotti con struttura monocristallina hanno una sezione circolare, una forma non compatibile con l utilizzo in celle solari, analogamente il silicio con struttura policristallina solidifica con forma e dimensione non adeguate per il suo diretto utilizzo: in entrambi i casi la filiera di produzione di una cella solare prosegue tagliando i lingotti in fogli chiamati wafer, i quali rappresentano il punto di partenza per l assemblaggio finale della cella solare. Nel 2000 l industria del fotovoltaico consumava circa tonnellate di Si, cinque anni più tardi si arrivava a ton e nel 2008 si sono raggiunte le ton di Silicio. Attualmente si stimano circa ton di silicio. Un progresso si è avuto anche nell utilizzo di minor materiale a parità di prodotto finale. Si è passati a wafer di spessore pari a 320 μm a spessori di circa 180 μm. Si usano attualmente 7 g/wafer a fronte di 15 g/wafer di pochi anni orsono. Fig Creazione dei wafer partendo dal lingotto monocristallino (sinistra) e policristallino (destra). 26

27 La produzione dei wafer avviene solitamente a mezzo di fili di acciaio diamantati. Inizialmente il processo avveniva con fili a bagno mentre ultimamente si sono affermati i processi di taglio a secco. Fig Produzione wafer: schema taglio lingotti. Dopo la produzione del wafer, il materiale per la cella solare non è ancora pronto, sono necessarie altre operazioni di trattamento superficiale che permettano al materiale semiconduttore di avere un buon effetto fotoelettrico. Le operazioni sono descritte nella Fig. 25. Rimozione danneggiamenti da processo di taglio texture etching drogaggio stampaggio contatti frontali deposizione ad arco isolamento bordi cella back-contact di alluminio stampaggio contatti posteriori co-firing Fig Schema processo "da wafer a cella solare". A questo punto la cella solare è pronta per essere utilizzata nella fabbricazione dei moduli fotovoltaici: esse necessitano di essere connesse con altre celle solari per incrementare la tensione prima di alimentare un carico o prima della conversione in corrente alternata. La cella inoltre necessita di essere protetta dagli elementi atmosferici quali umidità, polveri, pioggia, etc. Le celle solari quindi vengono montate in moduli i quali rappresentano per il mercato energetico il prodotto commercialmente più conosciuto a cui solitamente viene richiesto di produrre energia per più di 20 anni. 27

28 La struttura tipica di un modulo è rappresentata nella Fig. 26. Le celle solari vengono posizionate in una struttura solitamente di alluminio, con un vetro superiore, con i contatti posteriori; è necessario che vi sia un materiale che deve fare da collante tra i vari strati, solitamente viene utilizzato dell EVA (acetato vinil-etilenico). Il modulo fotovoltaico dopo esser stato assemblato prosegue lungo un processo di laminazione nella quale viene riscaldato a una temperatura di C per circa 30 minuti. Durante questo processo l EVA fonde e un meccanismo di forte adesione polimerica prende luogo tra i vari strati del modulo, eliminando inoltre l aria presente tra gli strati. Fig Struttura di un modulo fotovoltaico. 28

29 4.1. INDUSTRIA E PRODUZIONE La produzione di celle solari negli ultimi anni si è focalizzata soprattutto in Cina riducendosi fortemente, in peso relativo, sia negli Stati Uniti (maggior produttori nel 1997) che in Europa. La Fig. 27 mostra la distribuzione a livello mondiale della produzione di celle fotovoltaiche nel mondo. Fig Statistiche produzione celle fotovoltaiche nel mondo Considerazioni economiche Nel 2006 per la prima volta il mercato del silicio per l industria solare ha superato quella dei semiconduttori. Nel la produzione totale di polysilicon per l industria solare è stata di circa ton. Il prezzo nel passato oscillava tra 50 e 200 US$/kg (attualmente per la sovra produzione che si è venuta a creare il prezzo si attesta attorno a 25 US$/kg ma con prospettive di ritornare verso i 40 US$/kg). La prima caratteristica della produzione di polysilicon è di essere estremamente capital intensive. Un impianto da 5000 ton/anno richiede un capitale di circa 200 M$. La seconda caratteristica è di essere un processo molto energivoro. I primi impianti richiedevano circa 350 kwh/kg, attualmente si arriva a kwh/kg. Dopo una fase di quasi monopolio degli Stati Uniti, Europa e Giappone si stanno affacciando sul mercato nuovi player con sede in Cina, Corea e Taiwan (Fig. 28). 29

30 Fig Evoluzione della produzione (milioni di tonnellate/anno) negli ultimi anni. 5. Impianti fotovoltaici L impianto fotovoltaico è l insieme dei componenti, supporti e strutture che consentono al modulo fotovoltaico di generare energia elettrica, condizionarla e distribuirla verso le utenze. La complessità di un impianto dipende dalla taglia dell impianto. Nei confronti di altre tecnologie energetiche, il fotovoltaico ha una bassa densità spaziale, motivo per il quale si prediligono le installazioni su coperture di edifici o su terreni non aventi una competizione con altre destinazioni d suo (ad esempio terreno agricolo) IMPIANTO FOTOVOLTAICO Il componente base di un impianto fotovoltaico è il modulo il quale è composto da più celle collegate elettricamente tra di loro e incapsulate nel medesimo modulo. Più moduli fotovoltaici, collegati in serie e in parallelo, formano le sezioni di un impianto, la cui potenza può variare da poche centinaia di Watt a milioni di Watt. A valle dei moduli fotovoltaici è posto l inverter, che trasforma la corrente continua generata dalle celle in corrente alternata una forma compatibile con il trasporto in rete e con l utilizzo da parte dagli utenti (Fig. 29). L impianto oltre ai componenti elettrici è composto da una struttura di sostegno e bloccaggio dei moduli. La struttura che sostiene i moduli può essere fissa o mobile (impianto ad inseguimento solare), ovvero in grado di seguire il sole lungo il suo percorso giornaliero, durante l intero anno, allo scopo di incrementare la captazione solare. 30

31 Fig Schema di un impianto fotovoltaico Impianto connesso in rete Gli impianti fotovoltaici connessi alla rete elettrica nazionale ( grid connected ) generano energia elettrica e la immettono in rete. Prima dell immissione in rete elettrica, l'energia prodotta dai pannelli deve essere necessariamente convertita in corrente alternata con le caratteristiche compatibili con i requisiti tecnici della rete stessa. Il vantaggio di un sistema fotovoltaico connesso in rete deriva dall opportunità dell utente di utilizzare l energia auto-prodotta oppure di richiederla alla rete quando quella prodotta dall impianto non è sufficiente. Inoltre, qualora la generazione sia superiore al fabbisogno è possibile cederla alla rete Impianto ad isola (stand alone) In questa configurazione l impianto fotovoltaico genera l energia elettrica sufficiente a soddisfare la domanda dell utenza. Per mantenere la fornitura di energia costante nel tempo, e per fornirla nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non funziona, viene utilizzato un accumulatore, solitamente composto da batterie elettrochimiche. Un sistema ad isola solitamente eroga corrente continua, per cui se fosse necessario collegare all impianto a dei dispositivi in corrente alternata è necessario installare un inverter. La Fig. 30 mostra una classica installazione di impianto fotovoltaico ad isola: un rifugio di montagna non servito dalla rete elettrica nazionale. 31

32 Fig Impianto "in isola" INSEGUITORI SOLARI Il sole nel suo apparente movimento attorno alla terra presenta diversi angoli di inclinazione in diverse ore del giorno e in diversi periodi dell anno. 21 dicembre, ore angolo di inclinazione 21 (Padova) 21 giugno, ore 12.00, angolo di inclinazione 72 (Padova) Sarebbe opportuno inseguire il movimento in modo tale da massimizzare la radiazione e quindi i kwh/m 2 di generazione del pannello. Questo si può fare utilizzando i sistemi ad inseguimento: a un asse o a due assi. 32

33 Caratteristiche degli inseguitori Generalmente gli impianti fotovoltaici sono installati su strutture fisse con inclinazione e orientamento dei moduli stabiliti in sede di progetto. Si può però far ruotare il piano dei moduli in modo tale da inseguire il sole lungo il suo percorso giornaliero e stagionale (evitando inoltre fenomeni di ombreggiamento reciproco). In questo modo si ottimizza la captazione della componente diretta della radiazione solare. La tipologia del sistema ad inseguimento influisce sull aumento di producibilità di energia rispetto ad un impianto fisso. Fattori da tenere in considerazione per la scelta di un sistema ad inseguimento: - maggiori costi di installazione (8-13%); - costi di manutenzione più elevati (a causa dei componenti di attuazione e controllo del sistema ad inseguimento); - maggiore superficie orizzontale occupata per evitare fenomeni di ombreggiamento. Tab. 2 - Caratteristiche degli inseguitori solari. Strutture fisse Esenti da manutenzione Montaggi semplice e trasporto dei profili metallici agevole Inseguitori mono-assiali Necessità di manutenzione ordinaria Trasporto e montaggio più impegnativo Risultato estetico in alcuni casi modesto (soggettivo) Risultato estetico armonioso (soggettivo) Costo minore Costo maggiore Energia generata minore Energia captata maggiore Nessuna spesa energetica Energia spesa per la movimentazione pari a circa il 3% di quella producibile Possibilità di ridurre l impegno di ogni fondazione aumentandone il numero Necessità di disporre di superfici a terra maggiori Alcuni esempi 33

34 Fig Esempi di inseguitori solari per impianti fotovoltaici. 6. Fotovoltaico a concentrazione Fig Esempio di impianto fotovoltaico a concentrazione. Il fotovoltaico tradizionale è basato su celle solari che per generare una quantità di energia compatibile con i fini industriali/residenziali necessitano di elevate superficie a causa del loro basso rendimento (~14%). Il fotovoltaico a concentrazione presenta una efficienza maggiore e quindi richiede una minor superficie. 34

35 Il fattore di concentrazione elevato (~ X) permette di rimpiazzare grandi superficie delle celle tradizionali con materiali molto economici per esempio stampati in materiale plastico. Fig Particolare delle unità ottiche di concentrazione della radiazione solare. Le celle solari tradizionali hanno un decadimento sensibile in funzione della temperatura (-0,3 %/K) mentre le celle a concentrazione sentono meno questo problema (-0,04 %/K): un notevole vantaggio soprattutto per installazioni in climi molto caldi. Per impianti di grande capacità, quando installati a terra il terreno viene spogliato della possibilità di essere utilizzato per altri usi (ad esempio allevamento o coltivazioni): con il solare a concentrazione invece è possibile utilizzare il terreno anche per altri scopi. L industrializzazione di questa tipologia di impianti ha buone prospettive: tutti i processi interessati (esempio: stampaggio plastico, lavorazione dell alluminio e del vetro, etc.) sono già affidabili e diffusi. 35

36 6.1. COME FUNZIONA Una serie di specchi e parabole concentra la radiazione solare su una piccola superficie (<1 cm2); Fig Schema funzionamento di un concentratore solare. Le riflessioni ottiche provocano una perdita di energia la quale viene compensata dall elevato rendimento delle celle a tripla giunzioni solitamente adottate in questa tipologia di impianti. Fig Rendimenti del fotovoltaico a concentrazione. Grazie alla tripla giunzione, quasi tutto lo spettro di radiazione solare viene intercettato e convertito in energia. L efficienza della cella tripla giunzione tocca rendimenti del 43.5% in prototipi provati in laboratorio, mentre si attesta sul 40% per configurazioni commerciali. 36

37 Fig Celle a tripla giunzione. La tipica dimensione di una cella è 5.5 x 5.5 mm2. L efficienza dipende dalla concentrazione oltre che dalla temperatura. Fig Efficienza in funzione della temperatura della cella. Fig Efficienza in funzione del fattore di concentrazione. Poiché vi è una concentrazione dell energia su una piccola superficie è necessario dotare la cella di opportuni dissipatori termici. La loro progettazione e sviluppo dipende dall installazione e, poiché il rendimento della cella è legato alla sua temperatura, va condotta con attenzione. 37

38 Fig Esempio di struttura di supporto e di dissipazione termica Dove conviene e perché A causa del notevole calo del costo del silicio fotovoltaico (non previsto nel 2008), il CPV rispetto la tecnologia tradizionale presenta un costo di impianto nettamente superiore ( /Wp); tuttavia nell ottica di una valutazione tecnico economica dell impianto è l energia generata che va considerata. La tecnologia CPV ha un rendimento nettamente maggiore del fotovoltaico tradizionale e la differenza è tanto maggiore quanto più l installazione si trova in una regione con clima caldo e con un elevata radiazione diretta (Direct Normal Irradiation, DNI). Fig Zone di maggior interesse per il fotovoltaico a concentrazione. In queste situazioni la comparazione rispetto ad altre tecnologie potrebbe essere fatta con altre metriche come ad esempio il metodo dell LCOE (Levelized Cost of Electricity) che tiene in considerazione sia il costo dell impianto che la sua generazione energetica ( /kwh). 38

39 Fig Costo dell'energia elettrica prodotto da differenti tecnologie fotovoltaiche in funzione della radiazione diretta. 7. Riciclo dei moduli fotovoltaici In questo capitolo vengono presentate le prospettive sul riciclo delle celle fotovoltaiche. Il continuo incremento delle installazioni unito al fatto che la vita utile di un pannello fotovoltaico si aggira sui anni porterà ad avere volumi di materiale fotovoltaico da riciclare assolutamente non trascurabili nel giro di pochi anni. Ipotizzando una durata dei pannelli di 30 anni, l andamento della quantità di materiale da smaltire è rappresentato nella Fig. 42. Fig Andamento della quantità di materiale fotovoltaico da smaltire nel tempo. 39

40 A fine 2012 in Europa erano installati ben più di 4 milioni di tonnellate di materiale relativo ad impianti fotovoltaici. Se non si adottano soluzioni efficaci per il riciclo, a partire dall anno 2040 circa un milione di tonnellate di materiale fotovoltaico dovrà essere smaltito ogni anno. Di seguito sono descritte brevemente alcune tecnologie esistenti per riciclare parte dei materiali utilizzati negli impianti TECNOLOGIE PER IL RICICLO PV-Cycle ha istituito un sistema volontario di raccolta e smaltimento di pannelli fotovoltaici a fine vita. First Solar ha realizzato l unico sistema industriale prefinanziato per la raccolta ed il riciclo di moduli fotovoltaici a film sottile. L aspetto critico per il riciclo dei pannelli fotovoltaici è la presenza dell EVA (acetato viniletilenico): esso agisce da forte adesivo e non permette che vi sia una semplice separazione meccanica dei diversi materiali. Di seguito vengono brevemente presentati i processi per il recupero dei pannelli fotovoltaici esistenti e in fase di sviluppo Processo Solar Cells Inc. per c-si Le principali caratteristiche di questo processo sono: - Sviluppato per moduli basati su EVA e Tedlar. - Separazione manuale backsheet dopo riscaldamento - Pirolisi dell EVA in gas inerte a 500 C - Processo non entrato in uso a livello industriale - Processo non economico in Europa a causa di leggi per il controllo delle emissioni dovute alla pirolisi Processo BP Solar Le principali caratteristiche di questo processo sono: - Presentato nel 1994 alla conferenza sul PV di Amsterdam - Basato sulla decomposizione dell EVA usando acidi minerali - Processo non adatto a tutti i materiali plastici e tutte le formulazioni - Processo funzionante solo su moduli da specifiche ben definite - Processo non industrializzato Processo Cellspa Le principali caratteristiche di questo processo sono: - Basato sul rigonfiamento dell EVA a seguito di immersione in limonene. - Non consente il recupero di celle intere che vengono rotte a causa delle tensioni causate dal rigonfiamento dell EVA - Il trattamento richiede tempi molto lunghi - Processo non industrializzato 40

41 Processo Solar World Operativo a livello industrial pilota dal 2003 presso Deutsche Solar a Freiburg. Le principali caratteristiche di questo processo sono: - Separazione manuale di cornici in alluminio e junction box - Decomposizione delle materie plastiche del modulo con trattamento termico in forno a 450 C - Separazione manuale delle celle intere, del vetro e delle connessioni elettriche - Trattamento chimico superficiale dei wafer per eliminare ARC e drogaggio - Recupero di wafer o recupero di silicio da trattare per rifusione in caso di celle rotte Trattamento termico per delaminazione. - Materiali plastici inceneriti in forni a circa 450 C - Separazione manuale di vetro, celle e collegamenti elettrici - Vetro inviato a sistemi di riciclo dedicati - Metalli inviati a sistemi di riciclo dedicati - Celle solari trattate chimicamente per essere riutilizzate come wafer Trattamento chimico delle celle intere - Rimozione delle metallizzazioni - Rimozione trattamento anti riflesso - Rimozione isotropica dopaggio n+ e p+ - Trattamento superficiale - Asciugatura I principali svantaggi di questo metodo sono: - Emissioni dovute a trattamento ad alta temperatura; - Processo batch a bassa resa; - Non adatto a trattare grossi volumi di moduli a fine vita Processo Firts Solar per CdTe Le principali caratteristiche di questo processo sono: - Primo programma industriale pre-finanziato per raccolta e riciclo di moduli fotovoltaici - Adatto a moduli vetro-vetro al CdTe e facilmente modificabile per trattare anche moduli al CdTe Ricerca in UNIPD La c-si è la tecnologia fotovoltaica più utilizzata; la maggior parte di moduli al c-si usano EVA come incapsulante; la separazione dei materiali è difficile a causa dell elevato potere adesivo dell EVA. L EVA può essere incenerito o pirolizzato ad alta temperatura (450 C) per recuperare vetro e silicio; purtroppo l incenerimento e pirolisi dei polimeri è causa di emissioni tossiche e dannose Delaminazione con RF (radio frequenza) Materiali dielettrici sottoposti a campi elettrici ad alta frequenza possono essere riscaldati mediante riscaldamento a perdite dielettriche. Il calore è generato all interno dei materiali dielettrici quindi l EVA può essere riscaldato con campi elettrici a RF. Il Si contribuisce al riscaldamento dell EVA. 41

42 L EVA decompone ad alte temperature (450 C) con emissioni dannose; questo non avviene nel processo a radio-frequenza in quanto la de-laminazione è condotta a bassa temperatura (80 C). Inoltre non ci sono combustioni riduzione emissioni. La separazione del vetro è possibile grazie alla riduzione del potere adesivo dell EVA. Fig Campione di cella fotovoltaica trattata con processo di de-laminazione a radio-frequenza. 42

43 Progetto Modef finanziato nell'ambito del Programma per la Cooperazione Transfrontaliera Italia-Slovenia , dal Fondo europeo di sviluppo regionale e dai fondi nazionali. Projekt Modef sofinanciran v okviru Programa čezmejnega s o d e l o v a n j a S l o v e n i j a - I t a l i j a iz sredstev Evropskega sklada za regionalni razvoj in nacionalnih sredstev. 43

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