Le tecnologie per il fotovoltaico: presente e futuro. Marco Bianucci

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1 Le tecnologie per il fotovoltaico: presente e futuro Marco Bianucci Dipartimento di Fisica Università di Parma Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto Nazionale per la Fisica della Materia

2 Problemi nell uso delle fonti fossili Effetto serra Pioggie acide

3 L energia Solare L'energia solare è la fonte di energia primaria per eccellenza. Ogni anno il sole irradia sulla terra miliardi di tep (tonnellate equivalenti petrolio) mentre la domanda annua di energia è di circa 10 miliardi di tep. L energia solare può essere utilizzata sia in modo diretto (solare termico) che in modo indiretto (solare fotovoltaico). Dal rapporto TREC (Trans-Mediterranea Renewable Energy Cooperation) commissionato dal Ministero dell Ambiente tedesco.

4 FOTOVOLTAICO Il termine "photo" deriva dal greco "phos = luce, mentre "volt" prende le sue radici da Alessandro Volta ( ), primo a studiare il fenomeno elettrico. "Fotovoltaico", viene tradotto letteralmente come "luce-elettrica". L effetto fotovoltaico consiste nel trasformare direttamente la luce in energia elettrica È stato scoperto nel 1839 dal fisico francese Edmond Becquerel ( ) che presentò alla Accademia delle Scienze di Parigi la sua "Memoria sugli effetti elettrici prodotti sotto l'influenza dei raggi solari" Solo nel 1954, Person, Fuller e Chapin, ottennero la prima cella solare commerciale in silicio cristallino realizzata all'interno dei laboratori Bell.

5 Come funziona la cella FV La cella FV, sottoposta alla luce solare si comporta come una pila con una differenza di potenziale (ddp), a circuito aperto, che non dipende dalle dimensioni e dipende molto poco anche dall intensità di illuminazione. Per il silicio, ad esempio, tale ddp è circa 0,5 V. La corrente invece dipende fortemente dall illuminazione ed è proporzionale alla superficie della cella. Per esempio, una cella di silicio del diametro di circa 10 cm può dare una corrente massima di circa 2 Ampère quando è sottoposta a luce di intensità 1kw / m².

6 Dalla cella al modulo Object 91 Efficienza tipica del modulo [%] Massima efficienza del modulo [%] Record di efficienza in laboratorio [%] Silicio Monocristallino ,7 24,7 Silicio Policristallino ,3 19,8 Silicio Amorfo ,7 CdTe CIGS ,5 12,1 16,5 19,8

7 Il mercato del fotovoltaico P h o to v o lta ic s is o n e o f th e fa s te s t g ro w in g in d u s trie s a t p re s e n t. O v e r th e la s t fiv e y e a rs, th e p ro d u c tio n o f p h o to v o lta ic s o la r c e lls h a s s te a d ily in c re a s e d a t a n a n n u a l a v e ra g e o f 40%, d riv e n n o t o n ly b y th e p ro g re s s in m a te ria ls a n d p ro c e s s in g te c h n o lo g y, b u t b y m a rk e t in tro d u c tio n p ro g ra m m e s in m a n y c o u n trie s a ro u n d th e w o rld. [Arnulf JägerWaldau (European Commission, Joint Research Centre, Renewable Energies Unit ISPRA) Solar Energy 77 (2004) ]

8 Potenza installata nel Mondo Picture 1045

9 Confronto tra diversi Paesi

10 Principali produttori di celle

11 Distribuzione del mercato globale Dove si vendono i moduli FV

12 Quanto costano i moduli FV Source: Marketbuzz 2008

13 Tecnologie sul mercato

14 Le principali macro-tecnologie Cristallino Film Sottile

15 Quali moduli fotovoltaici? La percentuale di mercato dei Film Sottili rimane ancora marginale, ma la crescita risulta impressionante, soprattutto grazie alla First Solar.

16 Celle e moduli a base di silicio mono(poli)cristallino Tecnologia matura, uguale a quella per la produzione di circuiti integrati per l elettronica Assenza di ossigeno e alte temperature, assemblaggio delle celle in serie sul modulo: alti costi di produzione

17 Come sono realizzati i moduli fotovoltaici al silicio mono(poli)cristallino Picture 14 Picture 2 Assemblaggio delle celle nel modulo semi-automatico e laborioso

18 Come sono realizzati i moduli fotovoltaici al silicio mono(poli)cristallino Ingots/Wafer thickness and Cell Efficiency [μm] ,0% ,0% 14,5% ,5% ,0% ,5% ,0% [Efficiency in %] 17,5% Ingots/Wafer thickness (μm) % 19% 18% 17% 16% 15% 14% 13% 12% 11% 10% Cell efficiency (in percent)

19 Contributo del modulo al costo dell impianto Price Composition of a PV System in % 15% Installation BOS Module 70%

20 Moduli FV a film sottile i moduli a film sottili possono essere prodotti con l utilizzo di piccole quantità di materiali attivi rispetto a quelle impiegate per la produzione dei moduli a base di silicio mono e poli-cristallino: il costo dei materiali attivi diventa quindi minoritario nel costo di produzione del modulo; la produzione viene ottenuta con processi industriali su larga scala, automatizzabili e capaci di produttività (volumi di produzione) elevate; i moduli a film sottili, pur raggiungendo efficienze minori di quelli al silicio cristallino, sfruttano meglio la luce indiretta, fornendo quindi buon rendimento anche per orientazioni non ottimali della superficie del modulo rispetto al sole; vengono utilizzati substrati di basso costo tipo vetro soda-lime. Si prevede un costo di produzione di 0,6 /Wp per lo stato dell arte del film sottile. Tale costo permetterebbe alla produzione di energia elettrica fotovoltaica di entrare in vera competizione con quella da fonti fossili.

21 Moduli FV a film sottile Energy pay-back time Relazione DOE/GO January 2004 prodotta dall U.S. National Renewable Energy Laboratory, per U.S. Department of Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (http://www.nrel.gov/ncpv/energy_payback.html).

22 Moduli FV a film sottile La quota raggiunta dall intero settore dei film sottili è stata inferiore al 10% nel 2007 Le previsioni indicano un espansione entro il 2015 che va dal 35% al 50%, che, considerata rispetto alla crescita del mercato totale dei moduli fotovoltaici, significa un incremento assoluto davvero importante. Percentuali di mercato delle varie tecnologie a film sottile e costo medio del modulo (US Department of Energy) Thin Film Technology % of Thin Film Market Module Cost Amorphous silicon (a-si) 61% < $2,00 Cadmium Telluride (CdTe) 34% $1,25 Copper Indium Diselenide (CIS/CIGS) 4% < $2,00 Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) <1% < $3,00 Nota: Le celle a coloranti organici, DSSC, possono essere considerate nella categoria dei film sottili, ma la loro produzione è ancora a livello sperimentale e si nutrono dubbi sulle effettive possibilità di produzione su vasta scala nel medio termine. Considerazioni il costo dei moduli al CdTe è il minore in assoluto. Si tratta di un costo esatto, e non di una stima, in quanto è quello dichiarato da una sola azienda, la First Solar, che in pochi anni ha raggiunto il 34% del settore di mercato e che sta incrementando velocemente la sua capacità produttiva.

23 Moduli FV a film sottile a-si Fase: Operazione: Contatto superiore Deposito a-si Contatto inferiore Deposito conduttori trasparenti (es ITO) su substrato, p.e. vetro Deposito struttura p-i-n (deposizione al plasma di SiH4) Deposito metallo, p.e. Ag

24 a-si Multigiunzione

25 a-si Multigiunzione Le principali aziende che producono in questo settore sono: Uni-Solar (modulo a tripla giunzione in silicio amorfo su supporto flessibile) è il leader assoluto per la versatilità di applicazione; capacità produttiva di 120 MWp/anno; produzione- Applied 2007 = 48 MWp; (USA) Materials - Oerlikon (Svizzera) Kaneca, leader del silicio amorfo monogiunzione a basso costo, produzioneoffrono 2007 =a45listino MWp linee ; complete chiavi in mano per la produzione di moduli a film sottili di dimensioni e con produttività Mitsubishi, produzione 2007 = 14 MWp. sempre maggiori (la linea di Applied Materials produce moduli di 5,2 metri quadrati). Il modulo a silicio amorfo multigiunzione è più efficiente di quello monogiuzione, arrivando anche vicino al 10%, ma i costi di produzione sono superiori a quelli del silicio monogiuzione, ben sopra i 2 /Wp.

26 Moduli FV a film sottile CIS - CIGS La grande attenzione dedicata a questo tipo di celle fotovoltaiche è dovuta alla alta efficienza raggiungibile, in laboratorio si sfiora il 20% (NREL), ma la tecnologia per ottenere questi risultati non è facilmente scalabile a livello industriale e così, nonostante la produzione di moduli CIS/CIGS sia iniziata, essa è limitata nei risultati (i moduli non superano l 11% di efficienza) e nella capacità produttiva, due fattori che mantengono alti i costi di produzione. Aziende che commercializzano moduli CIS/CIGS: - Wurth Solar, Germania - Sulfurcell, Germania - Global Solar, USA - Honda, Giappone - Showa Shell, Giappone, con capacità che variano dai 5 ai 27 MWp annui. Oltre a queste almeno altre 30 stanno sviluppando produzioni precompetitive. luce

27 Moduli FV a film sottile CdTe Il CdTe è un materiale che, ha una bandgap di circa 1,6eV, quindi è ideale per assorbire la radiazione solare (nella formazione dell eterogiunzione col CdS il gap puo variare leggermente). Vacanze e variazioni stechiometriche che si creano naturalmente, per questioni termodinamiche alle temperature di deposizione (circa 400 C) rendono il CdTe intrinsecamente eccedente di lacune, ovvero come fosse drogato p, mentre il CdS viene ad essere l elemento n nella formazione dell eterogiunzione. Il record di efficienza di laboratorio per celle a CdTe è di 16,5% (NREL 2004), minore di quello del CIGS, ma un valore comunque superiore al 16% è stato ottenuto con metodi di deposizione facilmente scalabili a livello industriale e per celle stabili nel tempo. Il CdTe risulta quindi oggi, tra il film sottile di seconda generazione, la tecnologia più matura per il mercato. luce

28 Moduli FV a film sottile CdTe Al momento l unico attivo nella produzione di moduli al CdTe è la First Solar. L azienda statunitense, con base in Ohio, ha iniziato il proprio progetto di ricerca alla fine degli anni 90 e inaugurato la produzione industriale nel 2005, con una linea da 25 MWp/anno. In seguito ha incrementato la produzione statunitense portandola a 90 MWp/anno e costruito uno stabilimento in Germania, a Francoforte sull Oder capace di ospitare linee per 250 MWp/anno. Lo stabilimento tedesco è entrato in produzione nel 2007 e nello scorso anno First Solar ha prodotto oltre 200 MWp di moduli. Nel frattempo l azienda ha iniziato la costruzione di un altro sito produttivo in Malesia e prevede, per il 2010, di raggiungere la produzione annua di 1 GWp. Il successo commerciale dei moduli First Solar, che attualmente sono i moduli meno costosi sul mercato nonostante possano vantare rendimenti variabili dal 7 al 10% e quindi migliori del silicio amorfo, e i conseguenti piani di espansione, hanno fatto sì che First Solar, dopo essere stata quotata al NASDAQ novembre 2006 con un prezzo di apertura di $24,50 abbia raggiunto nel maggio una quotazione Calyxo, nel azienda di proprietà di Q-Cell (dal 2007 il maggior produttore mondiale di celle e moduli2008 fotovoltaici), che massima e una corrispondente di 25 miliardi di dollari. entro quest anno; prevededidi$317 entrare in produzione con capitalizzazione una prima linea pilota da 25 MW/anno AVAAttualmente Solar, USA, First che ha avviato una un linea di produzione sperimentale e prevede di entrare in produzione nel 2009; Solar dichiara costo di produzione di circasolar, 1 /Wp, di gran lunga ilinpiù basso a livello mondiale, PimeStar USA, che lavora collaborazione con National Renewable Energy Laboratory (NREL) e prevede di ma, grazie alla grande domanda attuale, vende i moduli entrare in produzione nel 2009; ad un prezzo in linea con quello degli altri produttori. Arendi Srl (SPA), Italia, Newco composta, tra gli altri, da Marcegaglia SPA, Solar System and Equipments SSE srl, Banca Ifis. Avvierà nel 2009 il primo impianto da 17MWp presso Malpensa (Va). Arendi si avvale di un processo innovativo e semplificato sviluppato dal gruppo diretto dal prof. Romeo dell Università di Parma, e coperto da numerosi brevetti internazionali. Tali innovazioni dovrebbero consentire una maggiore riproducibilità, a livello industriale, di moduli con alta efficienza e grande stabilità. Una decina sono le aziende che stanno costruendo stabilimenti o sviluppando progetti di ricerca per la produzione di moduli CdTe. Tra queste:

29 Moduli FV a film sottile CdTe Un approfondimento sulla tecnologia

30 Moduli FV a film sottile CdTe Un approfondimento sulla tecnologia: il caso dell impianto Arendi La linea è lunga 160m, e produrrà un modulo 600x1200 mm2 ogni due minuti. Viene utilizzata solo tecnologia semplice ben collaudata a scala industriale. L efficienza prevista per i moduli è tra il 10% e il 12%. La produzione annua sarabbe quindi di circa 17MWp. L impianto, non appena sarà messo a punto sarà replicato rapidamente.

31 Moduli FV a film sottile CdTe Un approfondimento sulla tecnologia: il caso dell impianto Arendi

32 Moduli FV a film sottile DSSC In 1991, dye-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cells (DSSCs) based on the mechanism of a fast regenerative photoelectrochemical process were first reported by Graetzel et Oregan (B. Oregan, M. Graetzel, Nature 353 (1991) 737). The overall efficiency of this new type of solar cell was % (under simulated solar light), which is comparable to that of amorphous silicon solar cells [1]. The main difference between this type of solar cell and conventional cells is that in the new cells the functional element, which is responsible for light absorption (the dye), is separated from the charge carrier transport. Such a feature makes it possible for DSSCs to use low- to medium-purity materials through low-cost processes, and exhibits a commercially realistic energy-conversion efficiency.

33 Moduli FV a film sottile DSSC Flexible, organic solar cells manufactured at the Fraunhofer ISE. Organic solar cells of the University of California in Santa Barbara (UCSB). Sources: ISE; UCSB

34 Moduli FV a film sottile DSSC Although DSSCs based on liquid electrolytes have reached efficiency as high as 10% under AM 1.5 (1000W/m2), the main problem is that the liquid electrolytes may limit device stability because the liquid may evaporate when the cell is imperfectly sealed, and more generally, permeation of water or oxygen molecules and their reaction with the electrolytes may worsen cell performance. Liquid electrolytes also makes the manufacture of multi-cell modules difficult because cells must be connected electrically yet separated chemically, preferably on a single substrate. Recently, many attempts have been made to solve the above problems by the replacement of liquid electrolyte with solid or quasi solid-state hole conductors. Benché le celle DSSC in laboratorio siano arrivate ad efficienze vicine al 10% (multicelle) in condizioni standard, ancora vi sono grossi problemi nella sabilità col tempo, nella riproducibilità e anche nel mettere a punto un processo che possa essere scalabile industrialmente. Uno dei problemi principali è che come Hole conductor viene usato un liquido elettrolitico, soggetto ad evaporazione e contaminazione con acqua o molecole di ossigeno. Inoltre il biossido di titano, reagendo con la luce per effetto fotoelettrico, tende a catturare gli elettroni formati nel processo di assorbimento da parte del colorante e trasferiti al TiO2, limitandone l efficienza. Recentemente sono stati fatti molti tentativi per sostituire l elettrolita con un quasi solid-state hole conductor e per trovare alternative all uso del TiO2. Va inoltre considerato il fatto che i coloranti organici sono soggetti ad essere danneggiati dalla radiazione elettromagnetica.

35 Moduli FV a contrazione Il vantaggio di utilizzare la concentrazione solare, attuata attraverso lenti o specchi, è di ottenere una maggiore efficienza da parte del dispositivo fotovoltaico, che può superare (teoricamente) anche il 50%, e quella di utilizzare meno materiale attivo, limitato ad una piccola quantità nel fuoco del concentratore, e quindi abbassare il costo complessivo del kwp. I sistemi a concentrazione, salvo rarissime eccezioni, devono essere montati su inseguitori solari (ossia su dispositivi meccanici capaci di orientarli sempre favorevolmente rispetto ai raggi solari), poiché il loro rendimento dipende quasi esclusivamente dalla radiazione diretta. Sempre per lo stesso motivo devono essere utilizzati in zone dove è alto l irraggiamento diretto (poca foschia e nebbia). Esistono varie stime sul costo di questi sistemi con proiezioni su volumi di produzione molto differenti tra loro. A ogni buon conto è interessante notare come, mentre oggi il costo delle celle fotovoltaiche è mediamente di circa 2,1 /Wp contro un costo del modulo di 3,3 /Wp (pari perciò al 75% circa), nei sistemi a concentrazione a 25 Soli il costo delle celle è di 0,2 /Wp contro un costo di modulo (compreso il sistema di inseguimento bi-assiale) di 1,7 /Wp (pari al 12%). Inoltre, considerando ad esempio un fattore di concentrazione di 50 Soli, si è in grado di produrre 50 MWp con solo 1 MWp equivalente di materia prima pregiata. Ad oggi l utilizzo di celle diverse da quelle al silicio risulta essere economicamente competitivo solo con concentrazioni sopra i 400 Soli, il che comporta notevoli problemi di natura tecnologica specie per quanto riguarda la parte di ottica.

36 Moduli FV a contrazione La via italiana, differenziandosi da quanto già fatto dagli altri attori internazionali, punta a raggiungere livelli competitivi di costo partendo inizialmente da concentrazioni medio basse (25 Soli) per poi salire gradualmente. Questo approccio sembra rivelarsi vincente alla luce del grande riscontro ottenuto con i primi prototipi realizzati (Cpower srl). Il volume produttivo minimo per questo tipo di sistemi è di circa 25 MWp: con produzioni di questo ordine di grandezza sono preventivabili costi al di sotto dei 2 /W per il sistema completo di moduli e inseguitore. Molti studi indicano costi inferiori a 1 /Wp per volumi di produzione intorno ai 200 MWp: va detto che queste stime non tengono conto del fatto che molti componenti usati sono realizzati con materiali comuni (plastiche, metalli, ecc.) raramente usati nel settore fotovoltaico e perciò le previsioni degli addetti ai lavori scontano una poca conoscenza dei costi di fornitura di tali materiali. Infatti ancora non ci sono precedenti di produzioni importanti che sfruttino questa tecnologia, benché proprio in Italia sia previsto che a breve entri in funzione un impianto, fra i primissimi al mondo, per la produzione su scala industriale di tali moduli.

37 Conclusione C è da dire che tutto il fotovoltaico installato nel mondo genera una quantità di energia, nella media annuale, paragonabile a quella di un paio di centrali termoelettriche convenzionali. Il mercato dell energia fotovoltaica non è ancora in competizione con quello effettivo dell energia. Ma se si vanno ad analizzare tutte le previsione che sono state fatte da dieci anni fino ad oggi, sullo sviluppo del mercato del fotovoltaico, ci si accorge che tutte, e sottolineo tutte, hanno avuto il difetto di sottostimare, e anche di molto, la crescita che effettivamente c e stata. Ogni anno le previsioni di crescita sono state riviste al rialzo, anche le più ottimistiche, e regolarmente questo si è ripetuto fino ad oggi. E vero che questa crescita è drogata dagli incentivi statali, e c e chi dice che questi incentivi costano troppo per quello che producono. Ma sono proprio gli incentivi che, in brevissimo tempo, hanno permesso a nuove tecnologie, fino ad oggi relegate in laboratorio, di svilupparsi rapidamente ed affacciarsi oggi sul mercato. Queste nuove tecnologie sembrano ora veramente ad un passo dal permettere quella drastica diminuzione nel costo dei dispositivi fotovoltaici che potrà consentirne un reale utilizzo su larga scala. E un po triste accorgersi che in questa fase di sviluppo e di cambiamento così radicale in Italia si stia pensando di puntare sul nucleare, che richiederà comunque ingenti finanziamenti e tempi di realizzazione che rischiano di incatenare il Paese per decenni, impedendogli di partecipare a questa competizione internazionale che probabilmente giocherà un ruolo importante nel ridefinire gli equilibri e le opportunità di sviluppo tra i paesi industrializzati di domani.

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