con separazione spettrale

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1 Fotovoltaico a concentrazione con separazione spettrale Cesare Malagù Dipartimento di Fisica-UNIFE OIKOS Fonti di energia e tecnologie di conversione Ferrara, 14 marzo 2011

2 Produzione annuale di polysilicon (feedstock) ad uso FV nel 2009: Ton nel mondo CONSIDERAZIONE: Con la tecnologia attuale questa quantità di silicio è appena sufficiente per realizzare pannelli fotovoltaici per una potenza complessiva di 7 GW (fonte GMT Research). Consumo annuo di energia elettrica in Italia (dati TERNA 2009) 300 mila GWh. Ipotizzando 1000 GWh / anno da ogni GW installato, si raggiungerebbero appena 7 mila GWh/anno vale a dire che tutto il polysilicon mondiale fornirebbe circa il 2.3% del fabbisogno della sola Italia.

3 3GW installati in Italia AD OGGI grazie al Conto Energia Mediamente 1 kw installato produce 1000 kwh di energia all anno. Ogni kwh viene incentivato con le nostre tasse di circa 0.4euro (per 20 anni). 3GW 3000GWh=3 miliardi di kwh (circa 1% del fabbisogno nazionale) 1.2 miliardi di euro all anno per 20 anni! 24 miliardi di euro in 20 anni se ci fermassimo qui Con 20 miliardi di euro si costruirebbero 4 centrali EPR da 1.6GW l una che soddisferebbero il 17% del fabbisogno nazionale per 60 anni.

4 CONCENTRAZIONE Concentrando l energia solare con specchi o lenti si può ridurre di almeno 200 volte la necessità di materiale fotovoltaico da impiegare.

5 Primi esempi di fotovoltaico a concentrazione Concentrator developed at the Sandia National Laboratories in the late 1970 s

6 Il primo concentratore a facce piane Raffreddamento attivo: ad acqua Ricevitore FV Specchi piani ogni specchio è posizionato individualmente Tracking

7 Dal modello Cad si passa al modello fisico e con una procedura standard si ottiene il dish e infine gli specchie e il concentratore sono assemblati Concentratore a facce piane: fabbricazione.

8 Ulteriori vantaggi Un riflettore primario sfaccettato è stato realizzato utilizzando materiali plastici. Il layer riflettente è basato su specchi di PMMA o, alternativamente, su film polimerici riflettenti. Gli specchi piani danno un campo di illuminazione uniforme. La struttura leggera riduce i costi di tracking Il layer polimerico ha una riflettività molto elevata. Il PMMA richiede bassi costi di manutenzione e di pulizia.

9 SEPARAZIONE SPETTRALE

10 Densità spettrale di potenza generata da due distinti ricevitori fotovoltaici a diverso bandgap, e viene confrontata con la distribuzione spettrale di potenza del sole.

11 Serie:multigiunzione Separazione spettrale P ll l i l i i Parallelo: singola giunzione e la separazione avviene otticamente

12 Separazione spettrale e concentrazione Sono necessari diversi materiali per raccogliere le diverse lunghezze d onda riflesse e concentrate

13 Ricoprimento dicroico

14 Concentratore realizzato sul tetto del dipartimento di Fisica presso il Polo Scientifico e Tecnologico.

15 Ultima generazione Prototipo di concentratore solare. Questo sistema fotovoltaico a concentrazione può ospitare fino a 3 diversi ricevitori fotovoltaici a diverso bandgap, e può fornire due differenti livelli di concentrazione sugli stessi Nel ricevitore sono alloggiati dispositivi fotovoltaici su wafer o su supporto vitreo in unità di piccola dimensione (tipicamente qualche cm 2 )

16 Reattore-LEPECVD Heater Substrate SiH 4, GeH 4, PH 3 inlet Auxiliary anode Ar inlet Plasma source Plasma focusing coils

17 Dipendenza del bandgap dalle dimensioni Un aumento dell intensità di energia PL (fotoluminescenza) alla decrescita del nano cristallo dimostra il confinamento quantistico e la formazione del quantum dot. Alcuni autori hanno dimostrato sufficiente confinamento quantico in un quantum well di SiO 2 of 1 nm per un bandgap di 1.7 ev (misurato con PL) [1]. Per un quantum dot il confinamento è 3D invece che 1D, quindi lo stesso livello energetico è atteso per un cristallo di 2nm.[2] [1] E.-C. Cho, M.A. Green, J. Xia, R. Corkish, P. Reece, M. Gal, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) [2] Gavin Conibeer et al Silicon nanostructures for third generation photovoltaic solar cells Thin Solid Films (2006)

18 E c Quantum wells ka condizione di quantizzazione in = nπ buca di altezza infinita larga a E gap (Si) gap(ge) E g z k = 2 m ( E E )/ 2 2 n c 2 2 π 2 2 ma n En Ec = n 2 Naturalmente t per avere la quantizzazione i la differenza tra due livelli lli deve essere: π 2 ma 2 n >> kt B Mettendo m n =0.082m e che è quella trasversale si trova che a deve esser<<14nm. Mettendo m n =1.64m e che è quella longitudinale si itrova che a deve esser<<3nm