Energia fotovoltaica. Quale realtà? Quale Futuro?

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1 Energia fotovoltaica. Quale realtà? Quale Futuro? Maurizio Acciarri Dipartimento di Scienza dei Materiali and Solar Energy Research Center (MIB-SOLAR) Università degli Studi Milano Bicocca 1

2 La direttiva Riduzione del consumo di energia dal 2020

3 La direttiva Energia rinnovabile dal 2020

4 La direttiva Riduzione di emissione di CO 2 dal 2020

5 La direttiva Energia rinnovabile nel trasporto dal 2020

6 Sommario Energia: uno sguardo d insieme Il fotovoltaico: presente e futuro Il fotovoltaico: le problematiche Celle solari: breve descrizione Celle solari: le tre generazioni Valutazioni conclusive 6

7 Energia e potenza Energia: la capacità di fare lavoro. Esiste in diverse forme; potenziale, cinetica, termica, elettrica, chimica, nucleare. Si misura in joule (J). Potenza: il lavoro compiuto nell unità di tempo o la quantità di energia trasferita nell unità di tempo. Una data quantità di lavoro può essere fornita da un motore a bassa potenza in un lungo periodo o da un motore ad alta potenza in un breve tempo. Si misura in joule per secondo ( watt, simbolo W) o erg per secondo. Ex. Una lampadina da 100W accesa per 1 ora consumerà 3,6x10 5 J o 100 Wh 7

8 Fattori di conversione Unità di energia simbolo fattore conv. kwh TWh GWh Quadrilioni di BTU Quad 2,93E+11 2,93E+11 2,93E+02 2,93E+05 Tonnelate Equivalenti di petrolio Tep 1,16E+04 1,16E+04 1,16E-05 1,16E-02 Tonnelate equivalenti di carbonio Tec 7,76E+03 7,76E+03 7,76E-06 7,76E-03 chilo calorie kcal 1,16E-03 1,16E-03 1,16E-12 1,16E-09 British Thermal Unit BTU 2,93E-04 2,93E-04 2,93E-13 2,93E-10 Joule J 2,78E-07 2,78E-07 2,78E-16 2,78E-13 erg erg 2,78E-14 2,78E-14 2,78E-23 2,78E-20 elettron volt ev 4,45E-26 4,45E-26 4,45E-35 4,45E-32 1EWh=10 18 Wh 1PWh=10 15 Wh - 1TWh=10 12 Wh - 1GWh=10 9 Wh - 1kWh=10 3 Wh 8

9 In economia vi è una regola generale secondo la quale il consumo di un dato bene in un dato periodo non deve superare la sua produzione nello stesso periodo. Insomma, dovremmo consumare solo il combustibile che si produce attraverso lo sviluppo delle foreste, anche se in pratica ci comportiamo in maniera del tutto diversa. Sappiamo che sotto terra vi sono da tempi remoti depositi di carbone massicciamente accumulati grazie alla crescita della vegetazione allora esistente sulla Terra per periodi così lunghi che, al loro confronto, i tempi storici appaioni infinitamente brevi. Oggi stiamo consumando questo patrimonio, comportandoci come eredi scialacquatori. Si strae dal suolo quanto la forza umana e i mezzi tecnici consentono, e quello che viene estratto è consumato come se fosse inesauribile. La quantità di ferrovie, piroscafi e fabbriche attrezati con macchina a vapore cresce in modo vertiginoso così che, quando guardiamo al futuro, ci domandiamo inevitabilmente cosa accadrà una volta che le riserve di carbone saranno esaurite Rudolf Clausius ( ) 9

10 Produzione di energia elettrica mondiale

11 Produzione di energia elettrica mondiale Produzione di energia per fonti anno 2006 Totale 19000TWh renewable; 18,40% coal; 40,78% nuclear; 14.69% gas; 20.02% oil; 5.76% waste; 0.35% Fonte: IEA

12 Produzione di energia mondiale da fonti rinnovabili Fonte: IEA Fotovoltaico 3,8 TWh = 0,01 %

13 Dipendenza Diversificazione energetica delle fonti dall estero EU Jan-Oct 2005 Jan-Oct 2006 Jan-Oct GWh Combust ible Fuels Nuclear Hydro Geot h./ Wind/ Germania Solar/ Ot her Jan-Oct 2005 Jan-Oct 2006 Jan-Oct 2007 Jan-Oct 2005 Jan-Oct 2006 Jan-Oct GWh GWh ? Combust ible Fuels Nuclear Hydro Geot h./ Wind/ Solar/ Ot her Francia Fonte: Rapporto IEA Energia Ambiente 2006 Combustible Fuels Nuclear Hydro Geoth./Wind/ Solar/Other Italia 13

14 Fonti energetiche: stato e prospettive La capacità di generazione delle fonti convenzionali può coprire il fabbisogno mondiale ancora per molti anni ( ?), ma non è infinita Capacità di Generazione delle Fonti Convenzionali di Energia Capacità di Generazione [TWh] Petrolio Gas Carbone Nucleare (risorse certe) Nucleare (speculative) Fabbisogno Primario 2003 TWh Fonte: G. Agostinelli et al. Energia Rinnovabilità Democrazia

15 Produzione di greggio (1b=158,987 l; 32Gb=61051Gwh/anno Fonte: Richard C. Duncan Population and Environment, May-June 2001, v. 22, n

16 Reattori nucleari nel mondo Nel 2006 sono in funzione 435 reattori che coprono il15% della produzione mondiale di energia. 29 nuovi reattori sono in costruzione. Fonte: 16

17 Previsioni per il nucleare Nella previsione più ottimistica il nucleare coprirà circa il 25% della produzione mondiale di energia Fonte: International Atomic Energy Agency 17

18 Disponibilità di uranio e scarti (produzione anno 2004) Ciclo carburante Anni di produzione con risorse convenzionali identificate Anni di produzione con tutte le risorse convenzionali Anni di produzione con tutte le risorse convenzionali e non Reattore Attuale ciclo singolo con reattori ad acqua leggera Puro reattore veloce con reciclo del combustibile Produzione annua di carburante spento (scarti): ton/y 1/3 viene riciclato per possibili futuri impieghi. Il resto viene immagazzinato in depositi geologici. Fonte: International Atomic Energy Agency 18

19 Prezzo dell energia Utenze industriali nella fascia 24 GWh/anno (c /kwh) Il prezzo in Italia risulta il più alto in assluto Usi domestici nella fascia 3500 kwh/anno (c /kwh). Le tariffe per le utenze domestiche, escluse le fasce sociali, appaiono più basse solo di quelle olandesi e danesi, comprese tutte le tasse Nel comparto del gas le tariffe italiane si collocano tra quelle più elevate per i consumatori domestici, mentre risultano abbastanza contenute per gli utenti industriali (ad esempio, sono superiori i prezzi che vengono praticati in Olanda, Regno Unito e Germania). Fonte: Rapporto Energia Ambiente

20 Costo dei combustibili Fonte: IEA Key World Energy Statistics

21 Maggiori paesi produttori di combustibili Petrolio Gas Carbone Nucleare Fonte: IEA Key World Energy Statistics

22 Maggiori paesi importatori di combustibili Petrolio Gas Carbone 22

23 Dati di fatto Il consumo di energia nel mondo è in aumento Il costo dell energia e delle materie prime è in aumento La disponibilità di materie prime è in diminuzione 23

24 Chi consuma Stato Popolazione (% mondo) Percentuale di consumo di energia mondiale USA 300 Milioni 21% (4.8%) India 1 Miliardo (16%) 3.45% 24

25 Chi consumerà? India + Cina (popolazione 2.4 Miliardi) consumano il 12% del petrolio mondiale prodotto Proprietari di macchine su 1000 potenziali: Cina 9 India 11 USA 1148 Si prevede che nei prossimi decenni India e Cina saranno I due più importanti mercati di auto! Se il numero di proprietari di auto in Cina e India raggiungono la metà di quello in USA si dovranno aggiungere 100 milioni di barili al giorno di petrolio si aggiungeranno agli attuali 83 milioni 25

26 Fotovoltaico: stato e prospettive La disponibilità di energia dal sole è praticamente infinita: 1,5 Miliardi di TWh / anno volte il fabbisogno annuo mondiale Basterebbe coprire lo 0,1% delle terre emerse con pannelli fotovoltaici (eff. 10%) per soddisfare la richiesta mondiale di energia elettrica 26

27 Il mercato fotovoltaico: passato e presente L industria fotovoltaica ha avuto un forte sviluppo nel passato. L aumento è stato di circa il 30% all anno. In particolare l Europa ha avuto una parte importante in questa crescita. Fonte: Global Market Outlook for Photovoltaics until

28 Il mercato fotovoltaico: il futuro World production European production Renewable production ( ) World PV production European PV production Energy (TWh) ,06% 0,08% 1.6% 3.2% 15% 40% 1 34% growth 15% growth Year

29 Il mercato fotovoltaico: il futuro La UE27 ha come target il12% fornito da PV nel 2020 Il 12% dell elettricità della UE27 significa 462TWh Questo corrisponde a circa 390 GW di potenza installata supponendo un insolazione media di 1200kWh/Wp Nel 2008 la potenza installata è di 10GW! Cumulated 10 13,57 18,42 24,99 33,91 46,02 Growth cumulated ( ) % 35,70 35,74 35,67 35,69 35,71 New installation GW 3,57 4,85 6,57 8,92 12, Cumulated 62,45 84, ,6 211,78 287, Growth cumulated ( ) % 35,70 35,71 35,69 36,17 35,24 35,70 35,70 New installation GW 16,43 22,3 30,25 41,6 55,18 75,61 102,61 Fonte: Global Market Outlook for Photovoltaics until

30 Il mercato fotovoltaico: il futuro La UE27 ha come target il12% fornito da PV nel 2020 Il 12% dell elettricità della UE27 significa 462TWh Questo corrisponde a circa 390 GW di potenza installata supponendo un insolazione media di 1200kWh/Wp Nel 2008 la potenza installata è di 10GW! Cumulated 10 13,57 18,42 24,99 33,91 46,02 Growth cumulated ( ) % 35,70 35,74 35,67 35,69 35,71 L Europa New installation GW può arrivare 3,57 ad 4,85 installare 6,57 8,92 390GW 12, nel 2020? Cumulated 62,45 84, ,6 211,78 287, Growth cumulated ( ) % 35,70 35,71 35,69 36,17 35,24 35,70 35,70 New installation GW 16,43 22,3 30,25 41,6 55,18 75,61 102,61 Fonte: Global Market Outlook for Photovoltaics until

31 Progressi delle energie rinnovabili Esperienza in PV gruppo CFS Milano Bicocca 1000 Electricity Consumption EU25 Electricity Efficiency -2% / -10% per year -35% 2020 Yearly Renewable Electricity Production [TWh] Biomass-E EU25 Wind World PV World Wind EU25 PV EU Bio- Electricity Target EUR Wind Target EUR Photovoltaic Target EUR (Previsione UE del 1997 target 2010) Fonte: H. Hossenbrink JRC

32 Fotovoltaico: diamo i numeri! Consumo energia elettrica in Italia (2005) 3,53x10 11 kwh/anno Per produrre questa energia con impianti fotovoltaici occorrono: 3,57x10 6 impianti da 83,1 kwp Ogni impianto occupa 1521,6 m 2 per un totale di 5,43x10 3 km 2 Potenza installata 296 GWp Costo totale: Miliardi Silicio necessario 2,32x10 6 ton Nel 2008 la potenza installata di impianti fotovoltaici nel mondo è di: 14.5GWp 32

33 Energie rinnovabili: potenzialità (13.5% del totale) (19% del totale) Costo elettricità all ingrosso: 2-3,5 cents/kwh. Fonte: Commissione Eropea (EC), A Vision for Photovoltaic Technology,

34 Energia: costi d investimento e di generazione Impatto dell industria fotovoltaica Tecnologia Potenza Generazione Investimento Investimento Costo di di Anno tipica annuale Produzione per potenzaenergia per prodotta per anno generazione generazione generazione Commento ai costi di generazione Nucelare MW 12 TWh 1,7 GWp 11 GWp 0,8-1,6 /W1.5 TWh 0,1-0,2 ( < 0.01% /kwhof total 1,5-2,5 electricity c/kwh generation) Costo capitale ~50% del totale 12 TWh (~0.05% of total electricity generation) Carbone 500 MW 3,5 TWh 0,8-1,2 /W 0,1-0,15 /kwh 2-4 c/kwh Capitale ~35%, carburante ~45% Gas 250 MW 1,5 TWh 0,3-0,6 /W 0,04-0,08 /kwh 3-5 c/kwh Carburante ~80% del totale Vento 100 MW 0,5 TWh 0,8-1,6 /W 0,3-0,6 /kwh 3-7 c/kwh Fortemente dipendente dal sito Solare (2005) 1 MWp 0,001 TWh 4-7 /W 3-6 /kwh c/kwh Fortemente dipendente dal sito In termini di generazione elettrica,la produzione totale da FV nel 2010 equivale ad un grande impianto nucleare (10-15 TWh) Per sostituire una centrale nucleare da 1000MW servono circa 60km 2 Fonte: O. Hartley Dresda PV Industrial Forum 2006 Forte crescita, ma 34

35 Perchè investire nel FV? Perchè suscita tanto interesse? 35

36 Il fotovoltaico: stato e prospettive L energia fotovoltaica è una fonte di energia il cui costo è in continua diminuzione all aumentare del mercato. 10 Euro/Wp ,5 /Wp Euro = 1,2 USD Source: PSE GmbH, 2005 Fonte: EU Photex-project Cumulative production MWp 80% learning curve, i.e. il comportamento aspettato se il costo della cella decresce al 80% del valore originale per ogni raddoppio del volume di produzione 2020

37 Profilo giornaliero di produzione solare e di consumo elettrico La discontinuità di produzione non è un fattore limitante Il fotovoltaico non deve sostituire ma integrare le altre forme di energia Fonte: W. Hoffmann AG Dresda PV Industrial Forum

38 Fotovoltaico: ritorno economico Tempo di ritorno (non attualizzato) Esempio di costo di un impianto domestico: Impianto da: 3kWp (vita media 25 anni) Produzione media annuale (Milano): 3400kWh/anno Consumo familiare: 3000kWh/anno (tipico italiano) Nord 1700 Costo impianto circa IVA (10%) Spazio occupato circa 24m 2 Euro/anno Contributo dal gestore 0.44 per kwh (x 20 anni) Risparmio sulla bolletta: 0.18 per kwh prodotto Costo manutenzione 100 /anno Costi di esercizio: 55 /anno circa Sud 2200 Euro/anno Centro 2000 Euro/anno Ricavo (da incentivo + risparmio bolletta):1700 /anno Ammortamento 13 anni (se pagato in contanti) L investimento è recuperato solo in presenza di incentivi Anni Fonte: ENEL.SI Guida agli impianti fotovoltaici 38

39 Grid parity in Europa 2007 irradiation (kwh/m 2 yr) PV generation cost ( /kwh) insolation map: Šúri M., Huld T.A., Dunlop E.D. Ossenbrink H.A., Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries. Solar Energy (in press),

40 Grid parity in Europa 2010 (linee guida per gli occhi) irradiation (kwh/m 2 yr) PV generation cost ( /kwh)

44 Elettricità: disponibilità nel mondo (2004) Nel 2050 la popolazione potrebbe crescere a 6 miliardi di persone (stima Nazione Unite) Delle 1615 milioni di persone che non hanno accesso all elettricità nei paesi in via di sviluppo, 1340 vivono in zone rurali (difficoltà di trasporto dell energia) Fonte: International Energy Agency 44

45 I gas serra Andamento dei gas ad effetto serra (metano CH4, anidride carbonica CO2) e del deuterio (δd, rappresentativo della temperatura dell aria) nella carota di ghiaccio del progetto EPICA2. L età geologica aumenta da sinistra (periodo odierno) verso destra (periodi più antichi). Il rapporto Climate Change 2007", il Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), fa salire dal 66% al 90% la stima dell incidenza del fattore antropico sull innalzamento della concentrazione di gas serra in atmosfera. Fonte: Rapporto Energia Ambiente

46 Fonte: S. M. Benson, F. M. Orr, Jr. MRS BULLETIN VOLUME 33 APRIL

47 Riduzione gas serra: Europa Per l Italia il target era di ridurre le immissione del 6.5 % rispetto ai dati del In realtà c è stato un aumento del 13% ed ora la riduzione da effettuare è del 20%! Stante la situazione attuale, l Italia avrà un esborso di 1,5miliardi di euro/anno Corrispondono a 220MW/anno di pannelli fotovoltaici che possono produrre 250GWh/anno di elettricità sufficienti per circa famiglie. 47

48 Emissione di gas serra durante il ciclo di vita Fonte: SECURE ENERGY? CIVIL NUCLEAR POWER, SECURITY AND GLOBAL WARMING Fonte: E. Alsema 21st Eur. PVSEC, 4-Copernicus Institute 9 Sept 2006, Dresden 48

49 Fotovoltaico: il ritorno energetico Nella sua vita (25-30 anni) il modulo fotovoltaico produrrà da 10 a 30 volte l energia utilizzata per costruirlo Fonte: E. Alsema 21st Eur. PVSEC, 4-Copernicus Institute 9 Sept 2006, Dresden 49

50 Fotovoltaico: il futuro desiderato Target: aumentare l efficienza e ridurre i costi 50

51 Fotovoltaico: azioni strategiche Industria: Trasferire i risultati della ricerca alla produzione/prodotto Aumentare l efficienza di produzione e la qualità totale Governi: Stimolare la ricerca e favorire lo sviluppo del mercato Settore R&D: Ottimizzare il processo di conversione fotovoltaica Implementare nuovi dispositivi 51

52 0 H003 Costo elettricità FV [ /kwh] = = Cost / Std-Power [ /Wstd] / Calibration 20 UV Test OC % High Temp M % Ozone & SO 2 HA % Damp Heat Hot Spot Mech Load Temp Cycling No Prior Conditioning Hail Humidity Freeze % % % % % % % Lifetime [years] / OB01 OA04 M04A HA05 OB04 OA03 M003 HA03 OC02 OB03 OA02 J04A H04A OA01 M002 J002 J001 HA02 HA01 H002 H001 OC04 OC03 OB02 JA08 JA07 JA06 JA05 JA04 JA03 JA02 JA01 J003 HB02 HB01 HA04 H Artificial -60 Ageing -80 Percentage Change since start of outdoor operations -100 Solar yield [kwh/wstd/year] PV-GIS Immagini = H. Hossembrink JRC

53 Fotovoltaico: un po di storia Anno Evento 1839 Alexandre- Edmond Bécquerel (FR) osservò che della corrente elettrica è generata durante alcune reazioni chimiche indotte dalla luce. Scopre così l effetto fotogalvanico negli elettroliti liquidi R. E. Adams e W. G. Day (UK) scoprono che illuminando una giunzione tra selenio e platino si crea una differenza di potenziale. È il primo esempio di effetto fotovoltaico nei solidi L inventore Charles Fritz (USA) produce una cella solare di circa 30 cm 2 a base di selenio con un efficienza di conversione di circa 1-2 % Daryl Chapin, Calvin Fuller e Gerald Pearson laboratori della Bell Telephone (USA) cella solare di silicio (eff. 6%). Laboratori Air Force (USA) producono un cella di Cu 2 S/CdS (eff. 6%) Le celle solari trovano la loro prima applicazione a bordo del satellite Vanguard I Un gruppo dell istituto Ioffe (Russia) guidato da Alferov crea una cella ad eterogiunzione in GaAlAs/GaAs David Carlson e Christopher Wronski fabbricano la prima cella fotovoltaica di silicio amorfo All Università di Delaware viene prodotta la prima cella solare a film sottile (CuS/CdS) con efficienza superiore al 10% Ching Tang e il suo gruppo al laboratorio Eastman Kodak in Rochester (New York) sviluppa la prima cella fotovoltaica basata su materiali organici 1991 Michael Graetzel propone le celle fotoelettrochimiche basate sull utilizzo di TiO 2 nanocristallino con un efficienza inferiore al 10% L università di South Florida sviluppa una cella fotovoltaica a film sottile di Tellurio di Cadmio con efficienza del 15.9% Il National Renewable Energy Laboratori sviluppa una cella solare fatta con GaInP/GaAs, che diventa la prima cella solare a superare il 30% di efficienza di conversione La Spectrolab ha presentato una cella a concentrazione con un efficienza del 39% (GaInP/GaInAs/Ge) 53

54 La cella solare: come funziona La cella solare assorbe la luce solare e la trasforma in energia elettrica. I fotoni assorbiti generano portatori di carica. Un campo elettrico interno alla cella raccoglie i portatori di carica generati. Ai capi della cella solare è disponibile una differenza di potenziale. Unendo opportunamente diverse celle in moduli si ottiene un dispositivo atto a fornire energia. 54

55 Le celle solari ll termine fotovoltaica é composto dalla parola greca phos (=luce) e Volt (=unitá di misura della tensione elettrica). Si tratta dunque della trasformazione di luce in energia elettrica La scoperta è dovuta a Becquerel nel Prime applicazioni negli anni 50 sui satelliti, Luce terrestri tardo um Campo Elettrico + n + Carico Contatto fronte AR Coating n-emitter Regione carica spaziale p-base (drogata boro) Contatto retro

56 Fotovoltaico: alcune definizioni Il watt di picco (Wp): è la potenza che la cella (modulo) produce in condizioni di irraggiamento standard (STC): 1000 watt per metro quadrato a 25 gradi di temperatura con uno spettro AM1.5G, ovvero lo spettro standard della luce solare alla superficie terrestre (1 sun). Efficienza (η): rapporto tra la massima potenza prodotta dalla cella (modulo) in STC e la potenza incidente sulla cella (modulo). 56

57 Spettro solare Fonte: Sze Physics of Semiconductor Devices; Second Edition; John Wiley & Sons;New York;

58 Celle solari giunzione singola: il gap Limite teorico di conversione 94% (Carnot) η = 1-T D /T s Limite teorico giunzione singola 31% (gap 1.3eV) Fonte: Sze Physics of Semiconductor Devices; Second Edition; John Wiley & Sons;New York; 1981

59 L efficienza: fattori limitanti (cella solare Si standard) 1. Ombreggiamento delle griglie per raccolta segnale. 2. Riflessione superficiale. 3. Assorbimenti spuri alla superficie. 4. Energia dei fotoni minore del E g. 5. Energia dei fotoni >> E g. L energia in eccesso è persa per termalizzazione. 6. Non tutti i portatori di carica sono raccolti (Efficienza quantica η<1). 7. Eg>Φ oc ; l energia utilizzata per creare il portatore di carica è maggiore della tensione di circuito aperto 8. Nella cella reale parte dell energia è dissipata per effetto Joule sul bulk, sui contatti e su correnti spurie. 1- Griglie 4.0% 2- Riflessione 2.0% 3- Assorb. spuri 1.0% 4- hv<eg 18.8% 5- hv<eg 29.2% 6-η Q = % 7- E g >Φ oc 19.2% 8- FF= % η=20,1% 59

60 Caratteristiche ideali del materiale fotovoltaico e della tecnologia produttiva Energy band gap tra 1.1 e 1.7 ev Coefficiente di assorbimento della luce elevato Efficiente conversione dell energia solare Alta disponibilità di materiale non tossico Tecniche di deposizione adatte per estensione a larga scala e ad alta produttività Basso utilizzo di materiale e di energia Stabilità sul lungo periodo Alta riciclabilità Produzione a basso impatto ambientale

61 Fotovoltaico: le tecnologie Silicio cristallino e multicristallino È la tecnologia commerciale più matura per ridurre ulteriormente i costi e per diversi anni controllerà il mercato FV (circa 85% del mercato totale nel 2008). Film sottili Tecnologia emergente ma il mercato è ancora ridotto (15% del mercato): a-si-h, µc-si-h, nc-si CdTe, CIS, CIGS [Cu(In,Ga)(S,Se 2 )] Multigiunzioni a film sottile Alti costi. Principali applicazione spaziale o concentrazione Organiche Ancora a livello di laboratorio o di produzione pilota. Lontani da un uso commerciale anche se preliminari prodotti sono disponibili per applicazioni interne o di bassa potenza Immagini: P. Wyers ECN

62 Il mercato dei moduli FV Mercato FV: suddivisione per tecnologia Cz-Si mc-si Si-Ribbon a-si CdTe CIS Source: Photon International, Moduli FV venduti,%

63 Celle al silicio Others; 0,10% ; Ribbon Si 2,20% ; Amorphous Si 5,20% CIS; 0,50% Cadmium ; Telluride 4,60% Single cystal Si; 42,20% Elemento Concentrazione (ppm) Si Silicon Ga Gallium 19 As Arsenic 1.8 ; Multi crystal Si 45,20% Cd Cadmium 0.15 In Indium 0.25 Se Selenium 0.05 Te Tellurium Vantaggi del Si: Abbondanza di materiale in natura Buona efficienza di conversione dell energia solare in elettrica Basso impatto ambientale Relativo basso costo del materiale Elevata qualità del materiale Tecnologia derivata dalla microelettronica Perché bassa efficienza? Perché costa tanto? Fonte: Shah. et al. Thin Solid Films, 179, 403 (2002)

64 Fotovoltaico: dalla sabbia al modulo

65 Fotovoltaico: riduzione dei costi (2008) Moduli ad alta efficienza e nuovi concetti di assemblaggio Assemblaggio modulo 40% Riduzione die Si per Wp e utilizzo di silicio a basso costo Feedstock 14% Crescita lingotto 8% Wafering 11% Costruzione cella 27% Alta produttività e celle alta efficienza Source: G. Coletti ECN

66 Disponibilità silicio Sourece: Wacher 2 nd SoG-Si Si Workshop

67 Produttori silicio 67

68 Si metallurgic production From quartz or carbon SiHCl 3 purification via distillation Polysilicon deposition Silicon production Si reaction with HCl SiO2+ C -> SiC+ SiO2-> Si+ SiO+ CO Worldwide production facility ~ 1,000,000 MT/y Electronic grade silicon Si multicrystalline Si monocrystalline Si ingot growth

69 Silicio: purezza e prezzo del materiale Impurezze Efficienza! 300 $/kg

70 Silicio: l efficienza dipende dalla purezza Silicio di elevata purezza intenzionalmente inquinato con Fe, Al oti 70

71 Celle solari: efficienza evoluzione 71

72 Perchè l efficienza è importante Impianto da 3kWp Produce 3400kWh/anno Efficienza 11% Efficienza 15% Guadagno 1700 euro/anno Guadagno 3300 euro/anno Ammortizzo in 13 anni Ammortizzo in 7 anni 72

73 Tecnologia cella Stato dell arte n-contact ARC n-emitter pn- Junction p-base Al-BSF Copertura griglie Anti riflettente Ricombinazione sup. Qualità quantità Si Ricombinazione retro Processo p-contact Saw Damage Removal Texture + Cleaning Diffusion PSG Removal ARC Screen- printing Firing, Finger) Isolation Source: Stefan Glunz, FHG-ISE, Francesca Ferrazza ENI

74 Evoluzione dell efficienza di celle 25 Si (25%) Efficiency, % First 20% cell UNSW Trasferire la tecnologia dal laboratorio alla produzione massiva 10 5 p n + + finger n p-silicon p + oxide "inverted" pyramids p + + p rear contact oxide 0 Source: M. Green UNSW

75 Efficienza dei moduli commerciali al Si Ribbon Source: Photon International Feb mc-si c-si Hi-Effic. Efficiency, %. Schott300 Evergreen180/195 Photowatt140/175 Mitsubishi175/190 BP210/230 Schott232 REC205/235 Sharp216/230 Kyocera205/210 Suntech220/80 Photowatt165/80 Sharp180 Isofoton210/230 Suntech240/280 BP7175/95 Sanyo205/215 SunPower290/320 Max teorico 31%

76 Tipici fattori che riducono l efficienza: Generalmente si perde 1/3 dell efficienza passando da cella record a modulo di produzione

77 Tecnologia moduli: pick&place, single shot Glass EVA Solar cells EVA Tedlar foil Tecnologia tradizionale (saldatura) Tecnologia futura (colle conduttrici) 77

78 Linee ad alta produttività Economia di scala Industrie fortemente integrata Processi automatizzati e stabili. Ridotti passaggi manuali Siatema di controllo della produzione Alta qualità del prodotto finale Ridotti tempi morti di produzione Ridotte perdite di materiale a causa di deviazione del processo

79 1 a generazione: limitazioni I costi nella tecnologia delle celle solari di prima generazione sono dominati dalle materie prime I wafer di silicio I vetri di copertura L incapsulante e isolante Nel futuro si prevede che questi aumenteranno fino a coprire il 70% del costo del modulo 2010 per 10GW = 20TWh (0,27%) serviranno circa Ton di Si per 390GW = 462TWh (12%) serviranno circa Ton di Si!

80 Riduzione del consumo di silicio Silicon consumption Tons/MW year Spessore film Si 30um -> 90% assorbimento fotoni Fonte: T.H. Wang et al. Solar Energy Mat. and Solar Cells 41/42, 19 (1996)

81 Tecnologie solari SILICON Si Wafers Si ribbons Metallurgical Silicon INGOTS AND WAFERS RIBBONS CELLS MODULES SYSTEMS Si Thin Films THIN FILM DEPOSITION CELL/MODULE FABRICATION THIN FILM (CdTe, CIS) III V Compounds (GaAs, InP, InGaN, etc) THIN FILM DEPOSITION CELL/MODULE FABRICATION CELLS MODULES Systems NON SILICON ORGANIC CELLS TPV VARIOUS DEPOSIITON/FO RMATION TECHNIQUES CELLS/MODULES/PRODUCTS NANO TECNOLOGY BASED VACUUM DEPOSITION Fonte: F. Ferrazza ENI 81

82 2 a generazione : film sottili Tecnologie Film sottile Silicio Amorfo Microciystallino policristallino Calcogenuri (policristallino) CIS, CIGS [Cu(In,Ga)(Se,S) 2 ] CdTe Dye sensitised, Organici CdTe CIS a-si-h Organiche Vantaggi Basso costo materiali (?) Grandi impianti di produzione Moduli completamente integrati Adatti per integrazione architettonica

83 NiAl NiAl n-type ZnO:Al um i-type ZnO nm i-type CdS nm p-type CIGS um Molybdenum um Isolating layer Metal Celle solari a film sottile: inorganiche 15% mercato 2008 CIGS : Cu(In, Ga) Se 2 Alta efficienza (η = 19.4 %) Modulazione del band gap Alta densità di difetti Alti costi, alte temperature Tossicità e rarità del materiale Tecnica deposizione vincente? CdTe : Alta efficienza (η = 16.7 %) Band gap diretto of 1.5 ev Alta velocità di deposizione (circa 10 micron / min). Problematiche ambientali Attualmente bassa resa di produzione Disponibilità del materiale a-si/ micro-amorfo (a-si-h): Buone proprietà elettriche Può essere depositato su substrati a basso costo anche di grandi dimensioni Degrado delle proprietà elettriche di trasporto dopo l esposizione alla luce (leffetto Stabler-Wronsky) Bassa efficienza (η = 9.5 % %) Tassi deposizione

84 Celle solari a film sottile: inorganiche Tecniche adatte alla produzione industriale di massa a-si, µc-si, c-si amorphous, microcrystalline, (poly-)crystalline

85 Film sottili inorganici: potenzialità Il mercato non ha ancora individuato la tecnica vincente. Solo per il a-si sono disponibili impianti industriali chiavi in mano ad alta produttività (Applied Materials e Oerlikon) Tecnologia dei film di nuova generazione non ancora trasferita a livello industriale in modo definitivo Buone potenzialità di ingresso sia nel mercato delle applicazioni a basso costo sia in quello dell alta efficienza (40% nel 2012!) Nel caso di materiali non silicio problemi di tossicità e disponibilità da risolvere

86 Film sottili: problematiche Con l aumentare della maturità della tecnologia a film sottile, i costi saranno dominati dal materiale La copertura in vetro L incapsulante Supponendo il limite inferiore per il costo del materiale di circa 24 /m 2, un efficienza di conversione del 15% (150 W/m 2 ), determinano un costo minimo del modulo di circa 0.16 /W p e di un costo di generazione dell energia di circa /kwh Ulteriori riduzioni dei costi richiedono materiali a basso costo con tecniche di deposizione e assemblaggio estremamente semplici o un aumento dell efficienza

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