! " 1 Pavia, 8 Aprile 2009

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2 Sommario Il CESI Il sole e la conversione fotovoltaica L epitassia La cella al GaAs per applicazioni spaziali La concentrazione fotovoltaica terrestre 2

3 L IMPEGNO CESI NEL FOTOVOLTAICO CESI è uno degli artefici a livello mondiale dello sviluppo della tecnologia delle celle solari al GaAs sia in ambito spaziale che terrestre. CESI è la sola Azienda italiana che possiede integralmente la tecnologia produttiva delle celle solari al GaAs ed è una delle poche al mondo. Per CESI il fotovoltaico a concentrazione (CPV= Concentration PhotoVoltaics) rappresenta il naturale sbocco della tecnologia sviluppata per lo spazio. 3

4 CESI nel fotovoltaico al GaAs: una lunga storia : attività preliminari sul CPV : attività di sviluppo di celle solari al GaAs/GaAs per lo spazio : Produzione di celle solari al GaAs per il mercato spaziale : sviluppo di celle solari a Tripla giunzione : attività preliminari sul CPV ad altissima concentrazione utilizzando le triple giunzioni (RdS) N N of of Installed Cell surface N N of of cells N N of of satellites power (kw) (m (m 2 2 )) countries 53* 53* * *(40 *(40 in in orbit) orbit) ** ( ( TJ) TJ) 4

5 La sorgente solare Il sole emette energia elettromagnetica per effetto dei processi di fusione dell idrogeno in elio. Massa del sole= 1.98 *10 30 kg Perdita di massa= 4.1* 10 9 Kg/sec Tempo di vita = 1.53 * anni 5

6 La distribuzione spettrale della radiazione solare Regione del visibile % $ &! " # # $ % $ & 6

7 Lo spettro solare Power (W/m2) AM0 AM1.5 AM2 AM kw/m kw/m wavelength (um) L energia proveniente dal sole è una quantità enorme sul globo terrestre, MA non è sempre disponibile ed è distribuita. Da qui, la difficoltà per un suo impiego diffuso in campo terrestre. Nello spazio rappresenta l unica fonte disponibile per missioni di lunga durata. = V m x I m // Area x P sole sole L efficienza di una cella misurata a terra è maggiore di quella misurata nello spazio! 7

8 Distribuzione dell energia solare nel Nord Italia kwh/m 2 giorno Nel calcolo dell irraggiamento vengono considerate tutte le componenti della radiazione solare. 8

9 La conversione fotovoltaica Quando il fotone incide sul cristallo semiconduttore le coppie di portatori ( e -, h + ) vengono separate dal campo elettrico di giunzione. Se ai capi del dispositivo poniamo dei contatti elettrici possiamo raccogliere i portatori e farli fluire in un circuito esterno Ioni positivi Ioni negativi L effetto fotoelettrico consiste nell instaurasi ai capi del dispositivo di una tensione per effetto dell illuminazione del materiale semiconduttore con radiazione di lunghezza d onda opportuna 9

10 La conversione fotovoltaica Fotoni Se si applica un carico a resistenza variabile ai capi della cella fotovoltaica si possono determinare i parametri caratteristici del dispositivo griglia e N + CARICO CURRENT (A) P VOLTAGE (V) FF FF = Voc Vocx Isc/ Isc/ V m x II m = V m x II m / / P sole x sole Area Area 10

11 La conversione fotovoltaica!! "# " 11

12 Principali tipologie di celle solari In qualsiasi semiconduttore è possibile attivare l effetto fotovoltaico. A livello commerciale la scelta è limitata a celle e pannelli realizzati con semiconduttori ben noti. Applicazione terrestre Tipologia Efficienza AM1.5 Silicio cristallino e policristallino Pannelli piani 12-16% Film sottile: CI(G)S, CdTe, Si Pannelli piani 8-14% amorfo GaAs (CPV) Concentratori >35% Applicazione spaziale Tipologia Efficienza AM0 Silicio monocristallino Pannelli piani 14-18% GaAs Pannelli piani 19-28% 12

13 I vantaggi del GaAs Il GaAs è uno dei semiconduttori che meglio converte la radiazione dello spettro solare in energia elettrica. Tutta la radiazione viene assorbita in pochi micron sotto la superficie. Rispetto alle celle solari al Silicio quelle al GaAs: sono più efficienti (28%* contro il 18%) resistono meglio alle radiazioni e quindi durano di più degradano meno alle temperature cui operano i pannelli solari nello spazio (70 C). * Celle TJ 13

14 Tipologie di celle al GaAs CESI produce due tipi di celle solari al GaAs per applicazione spaziale: le celle a singola giunzione caratterizzate da efficienza del 19-20% le celle a tripla giunzione caratterizzate da efficienza dal 24 al 28% Giunzione 3 Grid AR N + -GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N + -GaInP Base: P -GaInP AR BSF: P + -AlInGaP Grid AR P + -GaAs Window: P + -AlGaAs Emitter: P + -GaAs Base: N-GaAs Buffer: N + -GaAs Substrate: N -Ge AR Le celle al GaAs sono ottenute depositando i vari strati fisicamente con tecniche di epitassia. Nel silicio la giunzione si ottiene per diffusione dei droganti. Diodo tunnel Giunzione 2 Diodo tunnel Giunzione 1 TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -InGaP Window: N + -AlGaAs Emitter: N + -InGaAs Base: P-InGaAs Buffer: P + -InGaAs TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N -InGaP Substrate: P -Ge Back Contact Contact 14

15 La cella a tripla giunzione Spettro solare Parte non utilizzabile InGaP _ La connessione in serie delle 3 giunzioni si ottiene con diodi tunnel I InGaAs Giunzione 3 Ge Giunzione 2 Giunzione 1 + Diodo tunnel: zona di funzionamento V 15

16 Caratteristiche La tensione ai capi è data dalla somma delle 3 tensioni: Vtot = V 1 + V 2 + V 3 La corrente generata è quella della giunzione che produce meno corrente Condizione importante: le correnti delle 3 celle devono essere confrontabili per non penalizzare l efficienza! Risposta spettrale singola giunzione External QE GaInP GaInP GaAs GaAs Risposta spettrale tripla giunzione Ge Ge Wavelength (nm) Cella Tensione a vuoto Corrente di corto circuito Singola 1 V 32 ma/cm 2 Tripla 2.6 V 16 ma/cm 2 16

17 Selezione dei materiali Per realizzare celle a tripla giunzione è essenziale scegliere semiconduttori con caratteristiche di costante reticolare simili a quella del substrato di Germanio (Lattice Matched). Bandgap [ev] 2.5 AlP GaP Si (AlGa)InP AlAs Ga (AlGa)InAs 0.51 In 0.49 P InP GaAs GaInNAs Ge InAs Lattice constant [Å] 17

18 Le Facilities tecnologiche del CESI: Epitassia La produzione di celle a singola giunzione e a tripla giunzione del CESI si basa sulla tecnologia MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition) ed utilizza un reattore VEECO 450 Gold. La tecnologia di crescita epitassiale MOCVD permette, combinando opportunamente le sorgenti gassose, di realizzare materiali semiconduttori diversi durante il medesimo ciclo di deposizione, con proprietà ottiche ed elettriche controllate AlAs GaAs AlInGaAs AlGaAs AlInGaP InGaP InP InGaAs 18

19 Le tecnologia di fabbricazione MOCVD Esempio semplificato di deposizione del GaAs (reattore verticale) I reagenti (metallorganici ed idruri) in fase gassosa vengono trasportati sul substrato I reagenti vengono lì decomposti per effetto termico e danno luogo alla fase solida ( $ ' In Strato Confine (Boundary Layer) CH 3 $ $ ' ( ' ( Out H 2 Riscaldamento # 19

20 Caratteristiche di un impianto di epitassia Epitassia = Ordinare sopra Gas carrier: Idrogeno ad altissima purezza Elevatissima purezza dei materiali precursori Precursori ad elevata tossicità Sicurezza!!! Sistemi da Vuoto Oil Free dimensionati per alte portate di Idrogeno Controllo accurato dell introduzione e della distribuzione dei gas di processo in camera di reazione Controllo accurato della temperatura e della sua distribuzione sul piatto porta substrati 20

21 Il reattore epitassiale CESI TGA Robot Arm Entry Lock Reactor Glove Box Reattore MOCVD Veeco 450G Piatto porta substrati, in grado di ospitare 13 wafers di Ge da 100mm 21

22 Raw materials MOCVD process Ge wafers MO SD KIP Manufacturing flow chart Raw materials Chemicals Solar Cell process BC FC SI TH CT TD CR MA AR CS EM KIP PA Test Incoming inspection Inspection Process Storage 22

23 Processi dopo la crescita epitassiale Realizzazione delle griglie Deposizione dei contatti metallici sul fronte e sul retro Taglio del wafer Processi chimici di pulizia ed attacco Deposizione del rivestimento antiriflettente Misura delle caratteristiche Prove di accettazione 23

24 Fabbricazione delle celle solari Wafer epitassiale Cella solare n-contacts Monolithic Diode n-contacts 24

25 Realizzazione delle griglie Mascheratura metallica Wafer epitassiale (GaAs) Mascheratura fotolitografica 25

26 Mascheratura per fotolitografia Stesura fotoresist Fotoresist Spinner Giunzione PN Cap di GaAs Substrato Ge Esposizione UV maschera Giunzione PN Cap di GaAs Mask aligner Substrato Ge Sviluppo Apertura rebbio Fotoresist Giunzione top Giunzione bottom Substrato Ge Cap di GaAs 26

27 Deposizione del contatto frontale Wafer con mascheratura fotolitografica Tecniche di deposizione: Evaporazione termica o da cannone elettronico (PVD) Sputtering (non applicabile a celle solari) galvanica (per dispositivi a basso costo) screen printing (per dispositivi a basso costo) Contatto frontale Metallo in eccesso Fotoresist Giunzione PN Substrato Ge Lift off rimozione meccanica o chimica della mascheratura Griglia 8 cells per wafer Giunzione top Giunzione bottom Substrato Ge 27

28 Deposizione del contatto sul retro Retro del wafer epitassiale (Ge) Tecniche di deposizione: Evaporazione termica o da cannone elettronico (PVD) Sputtering (non applicabile a celle solari) galvanica (per dispositivi a basso costo) screen printing (per dispositivi a basso costo) Lega per ottenere una bassa resistenza elettrica di contatto ed una buona adesione viene effettuato un processo ad alta temperatura 28

29 Deposizione del rivestimento antiriflettente Riflessione % R (%) No arc Cella solare 5% Darc lunghezza d'onda (nm) Cella solare Il rivestimento antiriflettente, oltre a diminuire la perdita per riflessione, protegge la cella solare nel periodo di immagazzinamento 29

30 Taglio del wafer Scribing solo per celle al GaAs Dicing saw Per tutti i tipi di celle solari Laser per celle al silicio 8 cells per wafer 30

31 60 Misura delle celle solari Spettro solare a diverse am 50 AM0 2 ) m (W / w e r P o AM1.5 AM2 10 AM wavelength (um) Parametri elettrici tipici di una cella solare: (AM0, mw/cm 2, 25 C, bare cells) # $ Open circuit voltage (Voc): 1032 mv 2560mV Short circuit current (Jsc): 32 ma/cm ma/cm 2 Pm 915 mv 2258mV Pm 30 ma/cm mA/cm 2 Fill factor: Efficiency: 19.5% 27.5% dvpm/dt: -2.0 mv/ C -6mV/ C dimp/dt ma/cm 2 / C : CURRENT (A) I P VOLTAGE (V) 31

32 L ambiente spaziale Nello spazio attorno alla terra le celle solari sono sottoposte a severe condizioni ambientali: Radiazioni (elettroni e protoni), tempeste solari periodiche Elevate escursioni termiche (-100 C, +100 C) dovute alle eclissi Presenza di detriti e meteoriti Le missioni interplanetarie sono più severe: verso il Sole aumenta la temperatura e la costante solare, verso l esterno del sistema planetario le temperature scendono e la radiazione solare diventa più debole. Una cella per poter operare nello spazio deve superare numerosi e severi test di qualifica e ambientali. 32

33 Le celle al GaAs nello spazio Perché? $ % Si 18.5% & ' & ( & ( ) & *' GaAs 27% * *+ *% & ' & ((,-.(,- / &

34 La normativa di riferimento! /1 (( )*(*(* 8 34

35 Celle solari CESI a tripla giunzione per lo spazio Efficiency distribution of CESI TJs Prod 2008 Prod 2007 Counts Cella solare per lo spazio di area 26.5 cm I-V curve AM0 CTJ solar cell 0 >20.0 >21.0 >22.0 >23.0 >24.0 Efficiency class >25.0 >26.0 >27 >28 >29 >30 Distribuzione di efficienza su una popolazione di 8000 e 2000 celle TJ area 26.5 cm 2, appartenenti a due generazioni contigue Current (ma) Isc = 483 ma Voc = 2.58 V FF = 0.85 Eff. = 29.6% area = 26.5 cm Voltage (V) 35

36 Le celle CESI nello spazio Cosmo-Skymed: 3 satelliti lanci a partire da 2007 ( celle TJ) DMC Sat. lancio 2003 MITA lancio nel

37 L evoluzione dei pannelli solari per lo L aumento della potenza richiesta dai satelliti moderni richiede l uso di celle solari più efficienti. Oggi circa il 70% dei satelliti commerciali utilizza celle al GaAs. Questa tecnologia si è affermata negli ultimi 10 anni pur essendo il settore spaziale molto conservatore! Gli USA sono all avanguardia nel campo. spazio 37

38 Pannelli solari La cella solare per essere impiegata nello spazio va protetta e montata su un substrato (honeycomb) che costituisce il pannello solare. Le aziende che effettuano questo processo in genere non coincidono con i costruttori di celle. Integratori di celle solari per lo spazio: cella vetrino connettore Selex Galileo (I) Astrium (D) Spectrolab (USA) Kvant (Ru) SSTL (GB) Emcore (USA) pannello 38

39 Il processo di integrazione dei pannelli Celle nude Saldatura o puntatura CiCs Vestizione delle celle Interconnettori Vetrini Coverglassing SCA Misura SCA e formazione delle stringhe Laydown dei pannelli SCA Saldatura o puntatura delle stringhe Pannelli Stesura della resina di incollaggio Cavi e altri componenti Incollaggio, collegamenti e test finali 39

40 Sommario Il CESI Il sole e la conversione fotovoltaica L epitassia La cella al GaAs per applicazioni spaziali La concentrazione fotovoltaica terrestre 40

41 Le tecnologie fotovoltaiche #( * * 9 :; )( 41

42 Le tecnologie fotovoltaiche 42

43 Le celle a multi giunzione III-V Terrestri Perché? Sono state dimostrate efficienze sul singolo dispositivo del 41%, con possibilità di arrivare al 50%. Nessun altra tecnologia offre queste potenzialità. Già esistono linee produttive (per lo spazio) con una capacità teorica complessiva, riferita al terrestre di circa 0.5GW/anno (@500x). Il ricorso alla concentrazione terrestre può spingere il costo del kwh verso quello ottenibile dalle sorgenti convenzionali. La tecnologia dei composti III-V è la sola che mostra una crescita costante di prestazioni nell arco di 30 anni 43

44 Celle solari III-V nella concentrazione solare terrestre $</=2 ( * Nei sistemi a concentrazione si sostituisce l area di semiconduttore con ottiche che concentrano la radiazione solare su celle di ridotte dimensioni. $ ( ( 44

45 L utilizzo delle celle solari basate sui composti III-V nella concentrazione solare per applicazioni terrestri "#!$!! #$!%%%&'$( % - $$ #! )! # $ *) +, " #!.) 45

46 I due diversi approcci alla concentrazione terrestre Celle solari CESI a singola e doppia giunzione per sistemi dicroici (Angelantoni Industrie; C-Power) Sun light Fresnel lens Dicroic filter Celle solari a doppia e a tripla giunzione per concentratori classici (Point Focus tipo Sol Focus, Isofoton o Dense Array, tipo Solar Systems Pty) Cella solare GaAs f Cella solare InGaP Cella solare InGaP/GaAs 46

47 CPV con specchi dicroici Sistema a concentrazione dicroico dell Università di Ferrara ; ( 47

48 L utilizzo delle celle solari basate sui composti III-V nella concentrazione solare per applicazioni terrestri Si sono seguiti seguito due approcci di realizzazione di sistemi a concentrazione $!! $/!)$0 $!! 1 ((% ((% (( 48

49 Problematiche relative all utilizzo dei Dish nella concentrazione α γ γ λ 1 β β α δ λ 2 α = (β γ) δ = 2 (β γ) δ = 2 α 6 / ->?-@ **-> 49

50 Celle TJ Terrestri Adattamento della struttura della cella per lo spazio alla concentrazione terrestre attraverso un procedimento iterativo modello-crescita epi-test-modello su: Spessore della cella top Band gap della cella top Diodo tunnel Ottimizzazione della griglia di raccolta Top cell AR Grid N + -GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N + -GaInP Base: P -GaInP AR Top tunnel diode BSF: P + -AlInGaP TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -InGaP Window: N + -AlGaAs Middle cell Emitter: N + -InGaAs Base: P-InGaAs Buffer: P + -InGaP Bottom tunnel diode TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -GaAs Window: N + -AlInP Bottom cell Buffer: N-InGaAs Emitter: N -InGaP Substrate: P -Ge Contact 50

51 Il diodo Tunnel Current (A) Poor tunnel diode peak current Pm = 3.67 W Voc = 2.90 V Isc = 1.57 A FF = 0.81 Eff. = 31.4% Suns = 117 Size = 1 cm Voltage (V) I diodi tunnel realizzati per la cella spaziale Non permettono al dispositivo di lavorare alle fluenze ottenibili con concentrazioni superiori a x 51

52 Il diodo tunnel è estremamente sensibile alle condizioni di crescita epitassiale! Mappatura della corrente di picco del diodo tunnel bottom su wafers da 100 mm Peak current (A/cm2) S x (cm) S10 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 S y (cm) Peak current (A/cm2) S x (cm) S10 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 y (cm) S Peak current (A/cm2) x (cm) S10 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 y (cm) peak current (A/cm2) time (sec) Theoretical experimental La corrente di picco del diodo tunnel Degrada in funzione del tempo che permane nel reattore alla temperatura di crescita, principalmente per diffusione dei droganti. Gori et al. 23rd EPVSEC

53 Esempi di celle per concentrazione Wafer da 100 mm 2 prima del taglio Alcune celle (area attiva) 7 mm 2 : applicazioni point focus 100 mm 2 : dense array o point focus Potenza ottenibile dalle dalle celle celle prodotte in in un un singolo run runmocvd --durata durata del del ciclo ciclo ore ore --carico: carico: 13 13wafers celle celle da da 1 cm cm 2 2 per per wafer wafer - - = 35% 35% circa10 kwp al al netto della della resa resa di di processo 53

54 Caratterizzazione in campo Isc Voc Pm FF Eff. P sole Soli (ma) (V) (W) (%) (mw/cm2) Modulo 4 celle Modulo 10 celle Soli Corrente (ma) Efficienza 30% Tensione (V) 54

55 Caratterizzazione delle celle TJ InGaP/InGaAs/Ge Isc (A) Voc (V) Pm (W) Im (A) Vm (V) FF Eff. (%) Soli

56 Caratterizzazione Termica Voltage [V] Modulo con 4 modulo cellea solari 4 celle TJ a tripla giunzione Voc array 329 mv Voc cell 82 mv dvoc/dt (@ 1 sun) 6.4 mv/ C T cell 13 C time 0.8 sec Fattore di Concentrazione 75x time [s] 56

57 Soluzioni CPV A;*B# $ GaAs Da: ENEA 57

58 Sistemi HCPV Solfocus: sistema 1100S 25% efficienza Da:SolFocus Inc 58

59 Sistemi HCPV Celle a multigiunzione 37% efficienza media Efficienza a livello di sistema: 25% Potenza nominale 53kW Occupazione del suolo: 2Ha per MW Design lifetime: 40 anni!! Da:Amonix Inc Amonix HCPV

60 Contributi all efficienza dei sistemi CPV basati sulle celle III-V Efficienza delle celle solari: 35-38% Trasmissione delle ottiche: 80-83% Interconnessione dei moduli: 95-97% Tracking: 95-98% Inverters: 95-97% Efficienza di sistema: 24-28% 60

61 Costi delle celle solari Celle per lo spazio: una cella da 30 cm 2 costa 250 $ (~8 $/cm 2 ) con il 75% di utilizzo del wafer epitassiale. Celle per sistemi in concentrazione: l utilizzo del wafer può arrivare al 90%, la proiezione sul prezzo per grandi volumi è di 6.7 $/cm 2. Cell Cell manufacturing manufacturing 27% 27% Ge Ge 21% 21% Epitaxy Epitaxy 52% 52% 61

62 Volume del mercato FV Globale al 2020 Annual solar radiation kwh/m Projected solar cell installations by 2020 Small Medium Large <10kW 10 to 100kW 100kW to 1MW PV (170GW) 1 to 10 MW 10 to 100MW >100MW CPV (6GW) Tracking PV (100GW) CST (12GW) Solar technology penetration based on location and market segments (source: Prometeus Inst. and Greentech Media) 62

63 Conclusioni L Efficienza elettrica media della produzione di celle solari CESI a tripla giunzione per lo spazio si attesta oggi al 27.5%. Le celle solari per lo spazio a singola giunzione hanno oggi un efficienza elettrica media prossima al 20% CESI sta ottimizzando la struttura della sua cella a tripla giunzione spaziale per l applicazione terrestre in sistemi ad elevato rapporto di concentrazione. La linea di produzione CESI per celle spaziali è implementabile anche per la realizzazione di celle solari CPV. L attuale capacità produttiva della linea è attestata a wafers/anno su 3 turni (al netto delle rese di processo, interruzioni per guasti, manutenzioni e attività di ricerca e sviluppo del prodotto). Se l intera produzione fosse indirizzata sul CPV (celle 1x1 cm, 500x, 35%) in termini di potenza, CESI è in grado di coprire circa 20 MWp/anno. 63

64 Ringraziamenti % & ' ( ) ( " ( ( * 64