Evoluzione della tecnologia FV. Sauro Secci

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1 Evoluzione della tecnologia FV Sauro Secci

2 Orientamenti di ricerca e sviluppo nel fotovoltaico Nuove tecnologie per ridurre i cos7 industriali Miglioramento dell efficienza delle celle solari esisten7 (ingegneria ele<rica) Nuovi materiali per il film so?le Celle solari organiche (fotosintesi)

3 Quadro della tecnologia disponibile (applicazioni terrestri) Monocristallino e HIT Silicio cristallino Policristallino String ribbon /EFG Silicio amorfo Silicio amorfo a doppia e tripla giunzione CELLE SOLARI Thin film Silicio microcristallino (+ amorfo) Copper Indium Diselenide (CIS-CISG) Telloruro di Cadmio (CdTe) Nuove tecnologie Celle organiche Nano tubi Si Photo Electrochemical Cells (PEC) Arseniuro di Gallio (GaAs) e altri semic. gruppi III e V

4 L evoluzione del fotovoltaico Le linee evolutive del fotovoltaico Prima Generazione Evoluzioni Film-sottile Sibased Seconda Generazione Tecnologie CdTe, e CIS/ CIGS based Terza Generazione Il fotovoltaico organico

5 Il Fotovoltaico evoluto di 1a generazione Le linee evolutive della R&S nelle tecnologie di produzione Aumento Efficienza Riduzione dei costi Film sottili su vetro Film sottili su fogli plastici Building Integrated PV (BIPV) Produzione celle / moduli performanti per FV a concentrazione Obiettivi di efficienza Film sottili Si-based : 15% in 2015

6 Il Fotovoltaico di 2a generazione Le tecnologie thin-film alternative al silicio Moduli fotovoltaici Lavorazione wafer Film Sottili Si cristallino Si Poli cristallino asi (amorfo) e μcristall. CdTe/CdS CuGaInSe2 /CdS

7 Il Fotovoltaico di 2a generazione Le tecnologie thin-film alternative al silicio Considerazioni generali sul film sottile 1.Nelle celle solari a film sottili il quantitativo di materiale usato è almeno 100 volte inferiore a quello usata per i moduli cristallini, divenendo una parte trascurabile del costo totale del modulo. 2.Processo di fabbricazione ad elevata automazione ottenendo una produzione anche di un modulo al minuto 3.Il substrato è rappresentato da un vetro comune a basso costo o una lamina metallica per i substrati flessibili

8 Il Fotovoltaico di 2a generazione Le tecnologie thin-film alternative al silicio Ø Silicio amorfo: α-si, efficienza massima 13% Ø CuGaInSe2/CdS: efficienza massima 20% Ø CdTe/CdS: efficienza massima 16.5% (*) (*) First Solar ha stabilito recentemente un nuovo record assoluto per quanto riguarda l efficienza delle celle solari al tellururo di Cadmio (CdTe), raggiungendo il 20,4% in un laboratorio dello stato americano dell Ohio.

9 Il Fotovoltaico di 3a generazione Il Fotovoltaico Organico Oggi la tecnologia fotovoltaica è giunta alla terza generazione, che segue alla prima, a base di silicio cristallino (c-si), e alla seconda, a film sottile, introdotta per semplificare e rendere più economico il processo di produzione. Si tratta di una generazione emergente ed al centro dell attenzione da parte dei maggiori centri di ricerca, grazie alle promettenti prospettive di raggiungere, in un futuro prossimo, il miglior compromesso in termini di prestazioni/costo. Con la terza generazione entrano in scena i materiali a base chimico-organica, permettendo di sfruttare pienamente tutti i vantaggi tipici della sintesi organica, tra cui la possibilità di avere a disposizione materiale fotoattivo con proprietà largamente modulabili, di elevata purezza e con grandi disponibilità in natura e capace di sfruttare noti processi produttivi di massa. Un settore capace davvero di rappresentare la piena rinnovabilità e sostenibilità del fotovoltaico.

10 Il Fotovoltaico di 3a generazione Il Fotovoltaico Organico come funziona una cella Celle Si based Celle OPV assorbimento della luce generazione delle cariche trasporto e raccolta agli elettrodi Silicio + materiali droganti assorbimento della luce generazione delle cariche trasporto e raccolta agli elettrodi specie Donatrice (D) In analogia alla clorofilla contenuta nelle piante, la specie D passa, per assorbimento della luce, nel suo stato elettronico eccitato. specie Accettatrice (A) L interazione fra la compoente D e la A determina la donazione di un elettrone, creando così una coppia di cariche negative/positive che viene trasportata e raccolta agli elettrodi, che a loro volta, chiusi su un circuito esterno, da origine a corrente elettrica.

11 Il Fotovoltaico di 3a generazione Il Fotovoltaico Organico polymer/fullerene solar cells (PFSC) polymer/nanocrystal solar cells (PNSC) photoelectrochemical cells (DSSC)

12 Il Fotovoltaico di 3a generazione Il Fotovoltaico Organico Le celle organiche, conosciute anche con l acronimo OPV (Organic PhotoVoltaic), rappresentano uno degli approcci più promettenti configurandosi come fotovoltaico di terza generazione. Si tratta di cellule che, utilizzando materiali ampiamente disponibili in natura, riciclabili, flessibili e leggeri, possono essere assemblate con processi di fabbricazione aventi costi di gran lunga inferiori a quelli delle celle convenzionali. Il costo di fabbricazione, in regime di economia di scala, è stimato sotto 1 /Wp per il 2014, ed è destinato a scendere a 0,2-0,3 /Wp da qui al 2030.

13 Il Fotovoltaico di 3a generazione Il Fotovoltaico Organico come funziona una cella Nelle celle fotovoltaiche organiche OPV, o celle di plastica, tutti i materiali attivi sono a base organica, costituti cioè da molecole organiche o da polimeri. Questi materiali hanno sperimentato negli ultimi anni un grande sviluppo in termini di prestazioni tecnologiche, e sono stai già sfruttati con grande successo in altri settori già ben noti al consumatore come: cristalli liquidi; transistor a film sottili; LED organici; forti sono state le ricadute nel mercato dell elettronica di massa (es.: display a schermo piatto per TV, computer e cellulari).

14 Impianti innovativi nel fotovoltaico Il Fotovoltaico di 3a generazione Il Fotovoltaico Organico come funziona una cella OPV - prospettive, limiti e tendenze evolutive La prima cella OPV sviluppata nel 1986 da Tang, rendeva appena lo 0,9%. Le prestazioni complessive delle migliori celle OPV raggiungono nel 2009 il 6% in singola cella e i l 6, 5 % i n configurazione tandem, nella quale materiali con diverse proprietà ottiche vengono assemblati per assorbire diverse porzioni dello spettro solare. Notevoli sono i progressi fatti dalla ricerca, è indubbio però che è ancora molta la strada da percorrere in termini di efficienza e stabilità per competere con l attuale tecnologia. Nel breve-medio termine efficienze del 10% in cella singola e 15% in cella tandem sono ritenute ormai alla portata.

15 Il Fotovoltaico di 3a generazione Il Fotovoltaico Organico come funziona una cella OPV le celle DSSC - Dye-Sensitized Solar Cells Confrontate con le celle solari di prima generazione a base di silicio, e di seconda generazione a base di materiali alternativi al silicio (Cd-Te, CIGS, etc.) le celle di Grätzel, nettamente più economiche, più resistenti e hanno grande versatilità: materiali di facile reperibilità a basso costo e in grandi quantità, non tossici (nanoparticelle di titanio ossido usate da tempo come pigmento bianco nelle vernici, nelle materie plastiche e nel cemento); produzione di elettricità anche in condizioni di luce bassa o di nuvolosità a differenza delle celle di prima generazione che richiedono invece condizioni ottimali di luce (radiazione diretta) che catturano l energia solare solo quando i raggi solari sono intensi e diretti; uniche celle solari che possono essere completamente trasparenti; visto che il loro colore dipende dalla molecola di colorante, selezionando coloranti che assorbono nella regione dei raggi ultravioletti o del vicino infrarosso si possono ottenere materiali completamente trasparenti. Fonte:

16 Il Fotovoltaico di 3a generazione Il Fotovoltaico Organico come funziona una cella OPV Problematiche da risolvere Incremento delle efficienze di conversione: inteso come rapporto tra la potenza elettrica prodotta e la potenza della radiazione luminosa incidente, prossimo all 11% se misurato in laboratorio, ma che scende drasticamente se rilevato all aperto. Tempo di vita: ancora troppo esiguo e fortemente dipendente dalla temperatura di esposizione del dispositivo (vedi Figura), dove si rileva che a una temperatura di 25 C la potenza fornita dalla cella solare organica rimane costante con il trascorrere delle ore, mentre, a temperature più elevate, già dopo sole 24 ore, le prestazioni della cella solare sono drasticamente ridotte al minimo. Miglioramento tecniche di incapsulamento: che può comportare alcuni problemi relativi, all ermeticità del dispositivo che, se non perfetta, può provocare l evaporazione dell elettrolita o l ingresso di aria, compromettendo irrimediabilmente le prestazioni della cella solare,

17 L integrazione architettonica Il ruolo del progettista TECNICO-STRUTTURALE: Orientata Il progettista può scegliere una integrazione del fotovoltaico su due fondamentali versanti Riconoscimento visivo DIFFUSIONE alla sostituzione di componenti edilizi con componenti fotovoltaici VISIVA PERCETTIVA- AMBIENTALE: attraverso l individuazione anche di nuove modalità di integrazione Gradimento sociale P r o g e t t i s t a

18 L integrazione architettonica Il ruolo del progettista, gli elementi fotovoltaici: Tegole fotovoltaiche Tegole fotovoltaiche a tripla giunzione Modulo in silicio amorfo depositato su supporto flessibile Moduli per tetto calpestabile Lamiera fotovoltaica grecata Thissen-Solartec - 64W Pannelli strutturali a film sottile per tettoie e pergolati

19 L integrazione architettonica Il ruolo del progettista, gli elementi fotovoltaici: Il progettista ha oggi a disposizione una vasta gamma di soluzioni adattabili e modulabili alle specifiche situazioni realizzative: tipo,forma e colore della cella; disegno e colore della griglia metallica della cella; misure, materiali e forma del modulo; distanza tra le celle; sfondo della cella.

20 L integrazione architettonica Il ruolo del progettista, i criteri di scelta per minimizzare l impatto: L'approccio al problema, quali tipi di moduli potrebbero essere interessanti per lo sviluppo, è avvenuto contemporaneamente sui seguenti livelli: integrazione funzionale, elementi costruttivi e integrati scenari di applicazione. Da ciò sono risultate le più importanti linee di sviluppo. Ø Trasparenza e semitrasparenza delle soluzioni Ø Colore e design Ø Struttura e finitura superfici

21 MIGRAZIONE DI MODELLO ENERGETICO LA TERZA GRANDE RIVOLUZIONE TECNOLOGICA DEGLI ULTIMI 30 ANNI Dopo la rivoluzione delle telecomunicazioni e di Internet, ecco la rete elettrica distribuita e intelligente smart grid, che si va determinando grazie alla grande avanzata delle rinnovabili con particolare riferimento al fotovoltaico con oltre piccoli impianti installati e distribuiti sui tetti delle case degli italiani ed il ruolo fondamentale dell ICT Modello Energetico centralizzato (desolatamente unidirezionale e stupido : esclude l utente condannato a soggetto passivo ) Modello Energetico distribuito (bidirezionale, intelligente (smart), democratico, partecipativo e con l utente che può divenire anche produttore e finalmente soggetto attivo )

22 MIGRAZIONE DI MODELLO ENERGETICO LA TERZA GRANDE RIVOLUZIONE TECNOLOGICA DEGLI ULTIMI 30 ANNI Il fotovoltaico come tassello fondamentale delle rinnovabili verso la generazione distribuita.. Il Rapporto Comuni Rinnovabili 2014 di Legambiente 2014: l anno del 100% degli 8054 comuni italiani che hanno almeno 1 impianto ad energia rinnovabile grazie al fotovoltaico: la svolta verso la generazione distribuita f o t o v o l t a i c o minieolico biogas minihydro biomasse solide geotermia bioliquidi

23 Una nuova grande opportunità per le pompe di calore valorizzando ulteriormente il fotovoltaico in autoconsumo: la nuova tariffa D1 Dal 1 luglio 2014 la tariffa elettrica D1 (AEEG DCO 52/2014/R/EEL) per le pompe di calore diviene simile a quella dei consumatori energivori intermedi e cala rispetto ad oggi con le tariffe D2 e D3 del 25% medio (vedi grafico seguente Fonte AEEG)

24 GREEN ECONOMY E WHITE ECONOMY FINALMENTE SI INCONTRANO VERSO LA BLUE ECONOMY (ZERO CO2) Perche pagare per quello che la natura ci offre senza costi? Fotovoltaico-Storage-Geotermia-Pompa di calore geotermica con inverter di potenza per risparmio energetico: poker perfetto versol'abitazione off-grid (energia elettrica e gas) Fonte: Ecoforest

25 Grazie per l attenzione Riferimenti: Sauro Secci E mail: Cellulare: Blog:

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