Celle solari a film sottili policristallini: Verso l applicazione l

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1 Celle solari a film sottili policristallini: Verso l applicazione l di massa Nicola Romeo Dipartimento di Fisica - Università degli Studi di Parma e ARENDI s.r.l. nicola.romeo@unipr.it Tel:

2 Organizzazione della Presentazione 1. Introduzione: Quali Moduli Fotovoltaici 2. Perché le Celle Solari a Film Sottili 3. CdTe e CIGS (CuInGaSe 2 ) 4. Il Processo in Linea per la Produzione Industriale di Moduli a Base di CdTe 5. Problemi Ambientali

3 Quali Moduli Fotovoltaici? Moduli Fotovoltaici Wafer Film sottili Si Crist. Si poli Si amorfo e microc. CdTe/CdS CuGaInSe 2 /CdS

4 Quali Moduli Fotovoltaici? Altri tipi di dispositivi attualmente allo studio e che hanno buone prospettive di essere utilizzati in futuro: Celle a colorante Celle polimeriche Celle a multigiunzione Celle a concentrazione

5 Perché le celle solari a film sottili? a. Le celle solari fatte con i monocristalli (Si, GaAs) hanno raggiunto in laboratorio efficienze vicine al limite teorico b. Moduli al Si vengono venduti a 5 /W p o più, un costo lontano dall essere competitivo con l energia elettrica ottenuta dai combustibili fossili c. Anche aumentando la produzione e automatizzando il processo di fabbricazione, difficilmente il costo può scendere al di sotto di 2 /Wp, che è ancora non competitivo d. La produzione di Si mono o policristallino non è, in questo momento, sufficiente a soddisfare la domanda

6 Perché le celle solari a film sottili? e. Nelle celle solari a film sottili la quantità di materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella usata per i moduli cristallini ed è una parte trascurabile del costo totale f. Il processo di fabbricazione può essere completamente automatizzato ottenendo una produzione di un modulo al minuto g. Il substrato è un vetro comune a basso costo h. Un costo di produzione inferiore a 0.5$/ Wp è stato previsto dal laboratorio nazionale per l energia americano (NREL, K. Zweibel) per i moduli fotovoltaici a film sottili per una produzione annuale superiore a 100MW

7 Tre tipi di celle solari a film sottili sono oggi considerati per la produzione 1. Silicio amorfo: α-si, efficienza massima 13% 2. CuGaInSe 2 /CdS, efficienza massima 19.9% 3. CdTe/CdS, efficienza massima 16.5%

8 La percentuale di mercato dei Film Sottili rimane ancora marginale, ma la crescita risulta impressionante, soprattutto grazie alla First Solar.

9 Energy Pay-back time 6 5 0,6 4 BOS ANNI 3 2 4,5 0,7 Frameless module ,5 Poly Si CIGS CdTe

10 Industrie Fotovoltaiche che Producono Moduli a Film Sottili di CIS, CIGS e CdTe Shell Solar, CA Global Solar Energy, AZ Energy Photovoltaics, NJ ISET, CA ITN/ES, CO NanoSolar Inc., CA Day Star Technologies, NY/CA MiaSole, CA HelioVolt, Tx Solyndra, CA CIS, CIGS SoloPower, CA Wurth Solar SULFURCELL, Germany CIS Solartechnik, Germany Solarion, Germany Solibro, Sweden CISEL, France Showa Shell, Japan Honda, Japan First Solar, OH Solar Fields, OH AVA TECH, CO Prime Star, CO CdTe CANRON, NY Antec Solar, Germany Arendi, Italy

11 Proprietà del CIGS Il CIGS, nella composizione CuIn 0.8 Ga 0.2 Se 2, è un materiale con una gap diretta di 1.25 ev, vicino al massimo teorico della conversione fotovoltaica dell energia solare. Ha il coefficiente di assorbimento più alto rispetto a qualsiasi semiconduttore esistente e una lunghezza di diffusione di 1µm. Basta un 1µm di materiale per assorbire più del 90% della luce solare. Inoltre, cresce colonnare e ha i bordi di grano autopassivati che non influiscono sul funzionamento del dispositivo. Queste qualità del CIGS hanno permesso di ottenere un efficienza del 19.9% confrontabile con quella del Si cristallino.

12 Struttura della cella Contatto Superiore a Rete (Al, Mo) 1µm ZnO(Al) 800Å ZnO 600Å CdS Sputtering Sputtering o CBD (Chemical Bath Deposition) ~2µ CuGaInSe 2 1µm Mo Contatto Inferiore Sputtering Vetro

13 Celle CuGaInSe 2 /CdS Nonostante, su una piccola area, questa cella è arrivata ad una efficienza prossima al 20%, su grandi aree l efficienza cala notevolmente fino al 12% o meno in quanto il CuGaInSe 2 viene depositato con una tecnologia (evaporazione da più sorgenti) che non permette di mantenere la stessa composizione su grandi aree. Per questo motivo è facile trovare in commercio solamente moduli di piccole dimensioni. Queste celle sono probabilmente le più promettenti, ma richiedono ancora una fase di sperimentazione per poter arrivare a grosse produzioni

14 Co-Evaporazione Substrato C η = 19.9% Cu In Ga Se Vuoto

15 Celle CuGaInSe 2 /CdS E.B.G. 0.15µm Cu 1µm In 2 Se 3 Mo 1 Selenizzazione Substrato C Se E.B.G. 50nm Ga 30nm Cu Substrato C Se Vuoto 2 Selenizzazione Celle con efficienza intorno al 15% vengono ottenute con questo processo nel nostro laboratorio. L uniformità è garantita dalla deposizione degli strati in sequenza. Vuoto

16 Electron Beam Gun (UniPR) Sequence evaporation E.B.G. (Electron Beam Gun) Electronic Beam

17 Conclusioni(CIGS) Il CIGS è un materiale che in prospettiva può dare moduli ad alta efficienza intorno al 15%. Tuttavia, la tecnologia usata finora non è facilmente scalabile. Lo sforzo futuro dovrà essere concentrato sulla deposizione strato su strato che garantisce una migliore uniformità della stechiometria utilizzando il più possibile tecniche scalabili tipo lo sputtering.

18 Conclusioni(CIGS) Sputtering 1 Selenizzazione Sputtering 0.15µm Cu 1µm In 2 Se 3 Mo Substrato C Se Lega al 50% Cu-Ga. Sputtering Vuoto 2 Selenizzazione Substrato C Se Vuoto

19 Il CdTe Il CdTe ha delle caratteristiche ottimali come assorbitore in celle solari a film sottili: Ha una gap di 1.45eV, vicina al massimo teorico di conversione di energia fotovoltaica Ha gap diretta: questo vuol dire che bastano solamente pochi micron di spessore affinché venga assorbito il 90% della luce solare Ha un diagramma di fase molto semplice e cresce stechiometrico quando viene depositato ad una temperatura di substrato maggiore di 350 C

20 Il CdTe Tuttavia, essendo un materiale policristallino, non può essere drogato in quanto gli elementi droganti segregano ai bordi di grano. Fortunatamente, quando il CdTe è depositato ad alta temperatura, cioè a circa 500 C, cresce naturalmente di tipo p con un numero di portatori maggiore di cm -3. Inoltre, i difetti ai bordi di grano sono, per la maggior parte, rimossi da un trattamento speciale fatto ad una temperatura di circa 400 C.

21 Il CdTe Il valore massimo di efficienza, ottenuto su una cella solare a film sottili CdS/CdTe di 1cm 2 di area, è del 16.5% (Wu, NREL); mentre moduli con efficienze tra il 7 e il 10% su un area di 0.6x1.2m 2 sono già prodotti da due compagnie: Antec (Germany) e First Solar (USA). Per la produzione di moduli CdTe/CdS sono impiegate delle tecniche di deposizione scalabili e ad alta velocità di deposizione, come lo sputtering e la Close Spaced Sublimation (CSS). Il processo è abbastanza semplice ed è stato ulteriormente semplificato nel nostro laboratorio come verrà descritto in seguito.

22 Struttura della cella La cella è composta di 4 strati Contatto frontale CdS CdTe Contatto posteriore Contatto Posteriore CdTe CdS Contatto Frontale Vetro Sia il contatto frontale che quello posteriore sono costituiti da 2 sottostrati

23 Risultati di laboratorio Col nostro processo, abbiamo ottenuto riproducibilmente efficienze maggiori del 14% utilizzando 1 inch 2 di vetro soda-lime come substrato. V OC = V La migliore efficienza ottenuta da noi è stata del 15.8% con: V OC = V J SC = 25.5mA/cm 2 J SC = 25.5mA/cm 2 ff = 0.72 Area = 1cm 2 ff = 0.72 I parametri della cella sono stati misurati con un simulatore solare con una densità di potenza di 100mW/cm 2 e uno spettro solare AM1.5.

24 Risultati di laboratorio Le celle solari a film sottili ottenute con questa procedura sono molto stabili. Sono state testate con più di 10 soli ad una temperatura di C per diverse ore in condizioni di circuito aperto. In molti casi è stato osservato un miglioramento del potenziale a circuito aperto, mentre, in pochi altri, i parametri sono praticamente rimasti costanti.

25 Tecniche usate per la deposizione: Sublimazione a distanza ravvicinata (CSS) La sublimazione a distanza ravvicinata viene usata dall Antec Solar. Non è una tecnica commerciale, ma può essere facilmente costruita e non ha mostrato problemi di scalabilità

26 Tecniche usate per la deposizione: Sublimazione a distanza ravvicinata (CSS) CdTe vapor reservoir CdTe Vapor Roller Conveyor Heaters Vacuum chamber La sublimazione a distanza ravvicinata viene usata dall Antec Solar. Non è una tecnica commerciale, ma può essere facilmente costruita e non ha mostrato problemi di scalabilità

27 The in Line Process Heater Anode ITO sputtering will be done with a rotatable magnetron target. In this way, the nodule formation on the ITO surface will be avoided and more than 85% of the target material will be used. Glow Discharge Rotating Targets, Cathode 5-8 cm

28 Il processo in linea 400 C RT RT Vetro Macchina di lavaggio/ asciugatura ITO DC sputt. ZnO DC sputt. reattivo con O 2 1 sezione 1 laser scribing RT 250 C CdS RF sputt con CHF C CdTe CSS con Ar 400 C Trattamento con HCF 2 Cl RT Pulizia in vuoto della sup. del CdTe. 3 laser scribing RT Mo DC sputt 250 C Strato Buffer DC sputt RT 2 sezione 2 laser scribing Alla laminazione 3 a sezione

29 Il laser scribing 1 laser scribing 2 laser scribing TCO CdS/CdTe Vetro Soda Lime Vetro Soda Lime 3 laser scribing Strato Buffer+Mo Flusso dei portatori di carica Vetro Soda Lime

30 Il processo in linea Per il processo in linea viene utilizzato vetro soda-lime di area 0.6x1.2 m 2. Sarà prodotto un modulo ogni 2 min. Con tre turni, la linea avrà la capacità di produrre 15MW/anno.

31 Innovazioni Il mio gruppo di Parma ha contribuito in maniera sostanziale a semplificare il processo di fabbricazione: 1. Sviluppando un nuovo modo di deposizione del CdS cioè lo sputtering in presenza di CHF 3 (maggiore riproducibilità) 2. Usando un gas come il CHF 2 Cl al posto del CdCl 2 per fare il trattamento a 400 C del CdTe (eliminazione del rischio di stoccaggio del CdCl 2. processo più veloce: eliminazione di una camera di deposizione) 3. Eliminando dal processo l immersione del CdTe in un bagno acido (meno rischi nella produzione, processo più veloce: eliminazione di uno step nella produzione) 4. Inventando un nuovo e stabile contatto per il CdTe (moduli molto stabili)

32 Innovazioni Le innovazioni sono protette da 5 brevetti: 1. N. Romeo, A. Bosio, A. Romeo, Un nuovo tipo di sorgente per depositare film sottili di CdTe e CdS mediante CSS (Close-Spaced Sublimation. 2. N. Romeo, A. Bosio, A. Romeo, Preparazione di un ossido trasparente semiconduttore (TCO) adatto alla produzione su larga scala di celle solar a film sottili tipo CdTe/CdS. 3. N. Romeo, A. Bosio, A: Romeo, Procedura per realizzare un contatto non rettificante su film di CdTe utilizzati per fabbricare celle solari a film sottili tipo CdTe/CdS. 4. N. Romeo, A. Bosio, A. Romeo, Un nuovo processo per il trattamento in ambiente di Cloro delle celle solari a film sottili di CdTe/CdS senza l uso di CdCl N. Romeo, A. Bosio, A. Romeo, Un nuovo contatto posteriore non rettificante per la cella solare CdTe/CdS.

33 Confronto tra il Vecchio e il Nuovo Processo Laser Scribing Vecchio Processo Laser Scribing Laser Scribing Wash and Dry TCO Sputt CdS CSS 500 C CdTe CSS 500 C CdCl 2 dep 100 C Trattamento 400 C Chem Bath Etch. Back Contact Laser Scribing Nuovo Processo Laser Scribing Laser Scribing Wash and Dry TCO Sputt CdS Sputt 200 C CdTe CSS 500 C Trattam. 400 C Back Contact

34 Problemi ambientali? Circola una favola messa in giro da persone non esperte o interessate che dice: i moduli a base di CdTe/CdS sono pericolosi perché contengono Cd. Come dire che il Cloruro di Sodio (sale da cucina) è pericoloso perché contiene Na che è infiammabile in aria e Cl che è irritante e corrosivo. NaCl non è né Na né Cl così come CdTe non è né Cd né Te.

35 Problemi ambientali?? Il CdTe fonde a 1041 C ed evapora, a pressione atmosferica, a 1050 C. In caso di incendio fonde prima il vetro che incapsula il materiale. Esperimenti fatti con incendi reali indicano che non c è rilascio di Cd nell atmosfera C C

36 Problemi ambientali??? Il Cd è il prodotto di scarto delle miniere di Zn, Pb e Cu Se il Cd non viene usato nel mercato: Viene sepolto Viene immagazzinato per uso futuro Gettato via nelle discariche Negli ultimi 30 anni sono stati usati da a tonnellate di Cd l anno. Per fare 1GW di elettricità da moduli a base di CdTe sono necessari 700 tonnellate di Cd che è 4% rispetto al consumo totale.

37 Problemi ambientali: NO!!! Paradossalmente, se si usa il Cd nei moduli fotovoltaici a base di CdTe, esso viene parzialmente tolto dall ambiente diminuendo il rischio globale da inquinamento da Cd.

38 Conclusioni La tecnologia per fabbricare moduli fotovoltaici a film sottili a base di CdS/CdTe può oggi essere considerata matura per una produzione su larga scala. Celle stabili di piccola area con efficienze superiori al 15% vengono ottenute riproducibilmente nel nostro laboratorio Poiché le tecnologie usate sono semplici e facilmente scalabili (Sputtering e CSS), ci si aspetta di ottenere efficienze intorno al 12% per dei moduli di area m 2 Un processo completamente automatizzato può produrre 1 modulo ogni 2 minuti. Il costo di produzione, vista la semplificazione del processo, potrebbe essere inferiore ad 1 /W p.

39 Conclusioni Avendo semplificato il processo, abbiamo trasferito questa tecnologia dal laboratorio all industria. Per questa ragione è stata costituita una nuova società con lo scopo di costruire una linea di produzione di 15 MW/anno. Il nome della compagnia è ARENDI. La linea di produzione, che è in fase di costruzione, sarà installata in Lombardia, a Lonate Pozzolo. La quota più alta della compagnia appartiene al gruppo industriale di Marcegaglia. L Università di Parma dà il supporto tecnico e scientifico attraverso la società Solar System and Equipment (SSE) socia di Arendi al 25%. Il Ministero dell Ambiente, attraverso la Regione Lombardia, ha contribuito alla realizzazione di questo progetto mettendo a disposizione della nuova società circa 9 ML di euro.

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