Gianluca Coletti.

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1 Presente e futuro del fotovoltaico Gianluca Coletti

2 Contenuto Quali le sfide del FV? Wafer-based silicon photovoltaics - Caratteristiche - Soria e stato dell arte Rendimento di celle e moduli - Risultati ad oggi - Fattori limitanti - Opzioni per ulteriori sviluppi - Riduzione dei costi Prospettive

3 Contenuto Quali le sfide del FV? Wafer-based silicon photovoltaics - Caratteristiche - Soria e stato dell arte Rendimento di celle e moduli - Risultati ad oggi - Fattori limitanti - Opzioni per ulteriori sviluppi - Riduzione dei costi Prospettive

4 Le sfide del FV Quanto ne serve per avere un impatto? Quale il costo? Quali le condizioni?

5 Quanto ne serve per avere un impatto? Dal 10% dell elettricità globale a >25% dell energia globale: 3 ~ >30 TWp (attuale 0.05 TWp)

6 A quale costo (prezzo)? 0.05 $/kwh ~ 0.10 /kwh (or less)

7 Dai costi di generazione al prezzo del sistema (o viceversa) esercizio non banale Levelized Cost of Electricity (LCoE) determined by: Prezzo del sistema turn-key ($/Wp) - Prezzo del modulo + Balance-of-System price (legato alla potenza & all area) Energia sviluppata(kwh/wp yr) - Dipende principalmente dall irradiazione solare annuale - Influenzato dalla qualita del sistema e dal design, dalla parziale ombreggiatura, etc. Costi di gestione & manutenzione e sostituzione/riparazione ($/Wp yr) Costo del capitale: - ammortamento (yr) - tasso di interesse / Ritorno dell investimento richiesto (%)

8 A quale costo (prezzo)? 0.05 $/kwh ~ 0.10 /kwh (or less): tipicamente 1 $( )/Wp (attuale 2 /Wp)

9 A quale costo (prezzo)? Il valore del rendimento/efficienza (esempio) High efficiency modules (efficiency 2X%) modules (0,6 $/W) area-related BoS (0,2 $/W) power-related BoS and other costs (0,2 $/W) Moderate efficiency modules (efficiency X%) modules (0,4 $/W) area-related BoS (0,4 $/W) turn-key system price 1 $/Wp power-related BoS and other costs (0,2 $/W)

10 A quali condizioni? Sostenibilità: Supply chain security (and price stability) Cradle-to-cradle approach Low (zero, or positive) impact: manufacturing installation operation decommissioning Opinione/consenso pubblico First Solar

11 Consenso pubblico: non per scontato Signore, aiuta il nosto paese, mandaci una grandinata terribile e distruttiva! Courtesy Michael Marčák

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13 Contenuto Quali le sfide del FV Wafer-based silicon photovoltaics - Caratteristiche - Soria e stato dell arte Rendimento di celle e moduli - Risultati ad oggi - Fattori limitanti - Opzioni per ulteriori sviluppi - Riduzione dei costi Prospettive

14 Wafer-based crystalline silicon Bell - ½ secolo di esperienza di produzione - Enorme base technologica (materiali, processi & architettura del dispositivo) - Estensiva documentazione (prestazioni, durata & affidabilita ) - Alte prestazioni della technologia flat-plate - Sfida principale: ulteriore riduzioni dei costi (a parita o a rendimenti superiori)

15 The silicon PV value chain Deutsche Cell ECN Silicon feedstock Crystal Wafer Solar Solar PV Solar cell module system electricity Deutsche Solar IMEC City of the Sun, NL

16 Typical traditional industrial silicon solar cell B-doped substrate (base) P-doped front (emitter) Al-doped rear (back surface field, BSF) SiN anti-reflection coating / passivation layer Ag contacts

17 Cell design options Standard: front emitter Rear emitter / front surface field Sanyo Heterojunction Metallisation Wrap Through (MWT) Emitter Wrap Through (EWT) SunPower Back Junction Back Contact (BJBC) Carrier collection at front Carrier collection at rear Front and rear contacted All rear contacted

18 World record monocrystalline silicon cell (efficiency 25.0%) Passivated Emitter and Rear Locally diffused (PERL) cell Zhao, Wang & Green, UNSW (1999)

19 World record monocrystalline silicon large-area module (efficiency 22%) based on Interdigitated Back Junction, Back Contact cells Courtesy SunPower Corp. ancestor (1986): Point Contact Solar Cell (>28% under concentration) Swanson, Sinton & King

20 Very high efficiency monocrystalline silicon large-area module (best 21%) based on HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) cells Courtesy Sanyo Electric Co., Ltd.

21 Contenuto Quali le sfide del FV? Wafer-based silicon photovoltaics - Caratteristiche - Soria e stato dell arte Rendimento di celle e moduli - Risultati ad oggi - Fattori limitanti - Opzioni per ulteriori sviluppi - Riduzione dei costi Prospettive

22 Rendimento storico celle e moduli al silicio (valori arrotondati) Efficiency [%] best laboratory cells (monocrystaline Si) typical commercial modules best laboratory cell (multicrystalline Si) Year

23 Photovoltaic conversion: basic process and losses energy gap (Si: 1.12 ev) recombination X X X generation

24 Solar spectrum and spectral losses 1.6 UV visible infrared solar spectrum (Air Mass 1,5; 1000 W/m 2 ) power [W/(m 2.nm)] X available for conversion in crystalline Si 1100 nm 1.1 ev = Si bandgap 0.0 courtesy John Schermer, KUN X wavelength [nm] Courtesy John Schermer, RUN, NL

25 Solar cell electrical characteristic: voltage and curve factor losses FF = Voc P J max sc < 1 current η = V oc Jsc P light FF J max I max voltage V max P max J = J ( qv kt e 1) L 0 J V OC kt J = ln < q + 1 J 0 L Egap

26 Crystalline silicon solar cell conversion efficiencies: limits and losses (indicative, after Swanson)

27 Dal laboratorio alla produzione Compromesso tra costi e rendimenti Piccole dimensioni grandi dimensioni Valori massimi Valori medi Si di qualità inferiore, regioni altamente drogate, superfici e contatti di bassa qualità incremento della ricombinazione: J sc, V oc Perdite ottiche aggiuntive (riflessione e trasmissione): J sc Perdite resistive aggiuntive: FF Rendimenti tipici per celle a Si multicristallino: 15~17% Rendimenti tipici per celle a Si monocristallino: 18~>22%

28 Selezione di opzioni per ulteriori miglioramenti Minimizzare la ricombinazione: - Migliore qualità del materiale trattamento di difetti e impurezze, uso di Si n-type - Ridurre gli effetti dell elevato drogaggio drogaggio locale, emitter selettivo - Efficace passivazione delle superfici SiN x, SiO 2, Al 2 O 3, a-si, etc. - Bassa ricombinazione dei contatti eterogiunzioni Minimizzare le perdite ottiche - Ridurre la riflessione, applicazione light trapping strati AR & testurizzazione, plasmonic structures - Riduzione ombreggiatura architetture a contatti sul retro Minimizzare le perdite resistive - Aumentare la cunduttività architetture con contatti e materiali (graphene?), rear contact designs

29 Qualche esempio: Comprendere e trattare le impurezze nel Si Impurity source and refinement G. Coletti, PhD thesis

30 Comprendere e trattare le impurezze nel Si: Effetto di Fe, Ni, Cr, Cu presente nel Si feedstock G. Coletti et al., Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 879 G. Coletti, Progress in PV, 2012, in press

31 Comprendere e trattare le impurezze nel Si: Sostituire p-type Si con n-type Si (n + ) Phosphorous emitter (p + ) Boron emitter Ti +/o Ti o/+ Fe +/o Back contact B-O 2i p-type silicon substrate Fe o/+ n-type silicon substrate (n + ) Phosphorus BSF Principali impurezze metalliche sono cariche positivamente in p-type e neutre in n-type. B per Si p-type forma centri di ricombinazione (complessi B-O)

32 Esempio: importanza di contatti a bassa ricombinazione V OC kt JL = ln + 1 q J0e+ J0b J 0 e= fcont J0e, cont+ ( 1 fcont) J0, pass Well-passivated emitter: ~30 fa/cm 2 or less Ohmic contacts: ~ fa/cm 2 With only 5% contact coverage, fa/cm 2 from contacts

33 Contatti a bassa ricombinazione Trasportare portatori maggioritari senza perdite resistive Riflettere portatori minoritari senza perdite di ricombinazione minority carrier mirrors Soluzione pratica: - Contatti con eterogiunzioni Si Graph: Miro Zeman, DUT, NL,

34 Esempio: integrare il meglio di entrambi i mondi? (SunPower & Sanyo) the IBC-HIT cell No shadow losses on front No optical absorption losses on front Very low contact recombination at rear (beyond asi) M. Tucci et al., BEHIND cell concept Univ. Rome, ENEA, ECN, Univ. Utrecht, and others

35 Cost structure of wafer Si PV (2009) From Peter Fath, Centrotherm,

36 Selected approaches towards further cost reduction High total-area module efficiency, new materials and integrated manufacturing concepts Reduced Si consumption per Wp and use of low-cost Si Feedstock Module assembly Ingot growth & wafering Cell processing Very high throughput processing and high cell efficiency 36

37 Other sustainability & cost issues Contact material: replace Ag by Cu, C, Pb-free interconnection Al-free framing or frameless modules Alternative encapsulants Green manufacturing

38 Contenuto Quali le sfide del FV? Wafer-based silicon photovoltaics - Caratteristiche - Soria e stato dell arte Rendimento di celle e moduli - Risultati ad oggi - Fattori limitanti - Opzioni per ulteriori sviluppi - Riduzione dei costi Prospettive

39 Crystalline silicon: first generation PV?

40 Crystalline silicon: first generation PV?

41 Further developments summarised Closing the efficiency gap between (best) lab and fab Reducing cost while maintaining or even increasing efficiency Moving beyond the intrinsic efficiency limit: - external efficiency boosters: spectrum converters -?

42 Acknowledgments Wim Sinke 9 March