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1 Energia e Fonti Rinnovabili Almo Collegio Borromeo, Pavia, a.a corso riconosciuto dall Università degli Studi di Pavia Fotovoltaico: celle ed efficienza Lucio Claudio Andreani Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Pavia, Pavia, Italy Indice Lezione 1: Semiconduttori Cenni storici Energia dal Sole Solare termico e termodinamico Semiconduttori: bande e gap, portatori, assorbimento Semiconduttori: drogaggio, giunzione p-n Lezione 2: Celle fotovoltaiche ed efficienza Circuito equivalente e caratteristiche I-V Limiti all efficienza di conversione Celle di prima, seconda e terza generazione Considerazioni sul solare fotovoltaico 22 marzo 2012 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 2 Effetto fotoelettrico e fotovoltaico Dalla cella singola al sistema cell module Per forzare una corrente attraverso un carico in seguito alla generazione di una coppia elettrone-lacuna occorre una struttura asimmetrica giunzione p-n array system Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 3 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 4 Short-circuit current Caratteristiche I-V Circuito equivalente di una cella solare ideale Open-circuit voltage Superposition approximation (diode): ev J ( V ) = Jsc Jdark = Jsc J0( e kt 1) p n Caratteristica corrente-tensione di un diodo ideale al buio e sotto illuminazione. In prima approssimazione, la corrente totale si ottiene sommando alla corrente di buio una quantità costante, pari alla fotocorrente a circuito chiuso. In condizioni di circuito aperto: k = 0 = BT J J V ln sc oc + 1 e J0 J sc J dark V + Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 5 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 6 1

2 Massimo punto di potenza Efficienza della cella Efficienza η = Densità di potenza sviluppata al punto di lavoro Densità di potenza incidente JmVm JmVm J V J V η = = sc oc = FF sc oc Ps JscVoc Ps Ps La densità di potenza raggiunge il massimo alla tensione V m. La massima densità di potenza J m V m è data dall area del rettangolo interno. Il rettangolo esterno ha area J sc V oc. Si definisce il fill factor come FF= J m V m /(J sc V oc ). Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 7 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 8 Parametri e prestazioni di celle fotovoltaiche Indice Lezione 1: Semiconduttori Cenni storici Energia dal Sole Solare termico e termodinamico Semiconduttori: bande e gap, portatori, assorbimento Semiconduttori: drogaggio, giunzione p-n Materiali con alta V oc tendono ad avere minore J sc. Questo è dovuto al band gap del materiale semiconduttore. Lezione 2: Celle fotovoltaiche ed efficienza Circuito equivalente e caratteristiche I-V Limiti all efficienza di conversione Celle di prima, seconda e terza generazione Considerazioni sul solare fotovoltaico Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 9 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 10 Fotoconvertitore a due bande: assorbimento ed emissione banda di conduzione Efficienza quantica (spettrale) banda di valenza I fotoni con energia E<E g non possono promuovere un elettrone ad uno stato eccitato. I fotoni con E>E g possono promuovere l elettrone, ma l energia in eccesso è dissipata rapidamente come calore in quanto i portatori rilassano agli estremi della banda. Un fotone assorbito con energia E»E g produce lo stesso risultato di un fotone con energia E=E g. Per questa ragione è il flusso di fotoni incidenti (e non la densità di energia dei fotoni) che determina la fotogenerazione. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 11 QE(E)=probabilità che un fotone incidente di energia E (ovvero lunghezza d onda λ=hc/e) fornisca un elettrone al circuito esterno Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 12 2

3 Fotocorrente (senza ricombinazione) Efficienza ultima Jsc = = QE( E) = q ηc( E)(1 R( E)) a( E) bs ( E)dE 0 q QE( E) bs ( E)dE 0 ηc( E)(1 R( E)) a( E) η c (E)=efficienza di raccolta di coppie elettrone-lacuna R(E)= riflettanza della cella (con back-reflector perfetto) a(e)=probabilità di assorbimento dei fotoni QE(E)=efficienza quantica 2 2sin θ 2 b s (E)=flusso di fotoni incidenti: ( ) s E b E = 3 2 h c E exp 1 kbt θ s Tutti i fotoni con energia E>E g sono assorbiti Ogni coppia elettrone-lacuna è utilizzata alla tensione V=E g /e Efficienza quantica QE(E)=1 per E>E g Eg bs ( E)dE E 2 g 15 x Eg η = = x 4 g dx, xg = e x 1 kbts Ebs ( E)dE π xg 0 L efficienza massima si ha quando x g =2.2 N.b. T s = 5760 K k B T s 0.5 ev Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 13 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 14 Efficienza ultima (no ricombinazione) W. Shockley and H.J. Queisser, J. Appl. Phys. 32, 510 (1961) Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 15 Fotocorrente: con ricombinazione J ( V ) = q QE( E) bs ( E)dE q QE( E)( be ( E, V ) be ( E,0))dE = 0 Jsc 0 Jdark ( V ) = Jsc qv kt J0 e 1 La corrente totale è inferiore alla corrente di corto circuito di una quantità pari alla corrente di buio, legata ai processi di ricombinazione radiativa nella giunzione p-n. Per via del bilancio dettagliato, la ricombinazione radiativa non può essere eliminata l efficienza è inferiore all efficienza ultima. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 16 rec gen Fattori che limitano l efficienza J V η = m m, Ps = Ebs ( E) de Ps 0 Efficienza limite di celle fotovoltaiche secondo il principio del bilancio dettagliato Efficienza ultima: 1. I fotoni sono assorbiti solo per E>E g 2. I portatori rilassano al band edge l energia disponibile è E g Efficienza legata al bilancio dettagliato: 3. La corrente al circuito esterno è alla tensione V m l energia qv m <E g o, in maniera equivalente: 3. Una frazione dell energia assorbita è riemessa a causa della ricombinazione radiativa, secondo il principio del bilancio dettagliato. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 17 Efficienza limite come funzione del band gap per lo spettro solare AM 1.5, assieme ai gap di energia di alcuni materiali fotovoltaici. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 18 3

4 Efficienza: potenza disponibile Efficienze limite e possibili strategie di implementazione con concentrazione senza concentrazione Multijunction limit Spettro di potenza (radianza) del sole come spettro di corpo nero a 5760 K, e potenza disponibile per una cella con band gap ottimale. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 19 M. A. Green, Third Generation Photovoltaics (Springer, Berlin, 2003) Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 20 Indice Struttura di base di una cella PV di silicio Lezione 1: Semiconduttori Cenni storici Energia dal Sole Solare termico e termodinamico Semiconduttori: bande e gap, portatori, assorbimento Semiconduttori: drogaggio, giunzione p-n Lezione 2: Celle fotovoltaiche ed efficienza Circuito equivalente e caratteristiche I-V Limiti all efficienza di conversione Celle di prima, seconda e terza generazione Considerazioni sul solare fotovoltaico Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 21 Spessori tipici: n-type emitter 0.5 μm p-type base 300 μm Spessori e livelli di drogaggio sono ottimizzati in modo da massimizzare l assorbimento della luce e la raccolta dei portatori (diffusione) Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 22 Passivated Emitter Rear Locally diffused (PERL) silicon solar cell (Green 1995) Celle fotovoltaiche di silicio (wafer) Mono-crystalline silicon Poly-crystalline silicon (or multi-crystalline) Efficienza record 25% (vicino al limite teorico 29%) Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 23 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 24 4

5 Struttura di base di una cella PV di GaAs Spessori tipici: p-type emitter 0.5 μm n-type base 4 μm Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 25 Evoluzione delle celle solari 1 a generazione: celle a singola giunzione p-n basata su silicio cristallino (c-si) o policristallino, c-gaas, c-inp Rappresentano la quota predominante del mercato 2 a generazione: tecnologie a film sottile per ridurre il costo del substrato, del materiale fotoattivo o dei processi. Esempi: CdTe, CuInGaSe 2 (CIGS), silicio amorfo (a-si) e Si micromorfo tandem Stanno raggiungendo la maturazione tecnologica e aumentano rapidamente la quota di mercato 3 a generazione: celle con multipli livelli di energia e/o con soluzioni che permettono di aumentare l efficienza oltre il limite teorico per un singolo gap di energia (ad es. concentrazione). Hanno potenzialmente efficienze maggiori, ma devono ancora entrare nel mercato e mostrare i reali vantaggi Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 26 Efficienza e costo per tre generazioni di celle solari: wafers, film sottili e film sottili avanzati Celle fotovoltaiche a film sottile Silicio amorfo CdTe CIGS CuInGaSe 2 T η = 1 Earth 95% TSun 300 nm Trasparent conductor: Indium Tin Oxide (ITO) or Zinc Oxide Efficienza moduli ~ 8% (a-si/μc-si: 10%) AR coat TCO AR coat 1.5 μm ZnO nm n-cds 3-5 μm p-cdte μm μm p-cuingase p-cdte 2 passivation layer metal Mo contact glass Efficienza moduli ~ 10% Efficienza moduli ~ 12% Costi in US$ 2003 (Green 2003) Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 27 a-si CdTe CIGS on Al a-si/nc-si on steel Tutti questi materiali hanno gap diretto sono sufficienti strati sottili Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 28 Celle tandem di silicio micro-morfo (multigiunzione silicio amorfo e micro-cristallino) Roll-to-roll production Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 29 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 30 5

6 Rome Trade Fair (fiera di Roma) Aumentare l efficienza: concentrazione in combinazione con cella ad alta efficienza Tracking system 1.5 MWp PV system with triple-junction thin-film Si technology Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 31 Limiting efficiency for an ideal solar cell in AM 1.5 with concentration factor X=1000 and X=1 Multijunction cells become cost effective with concentration CPV Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 32 Multijunction/tandem cells CPV Concentration + spectral separation Simplified scheme of a 3-junction cell. The gap of each junction decreases from back to rear. Record efficiency: 418x (Solar Junction, April 2011) Installed capacity (2010): MW Need of lattice-matched c-ge substrate high cost (100x) becomes effective at high concentration Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 33 Technological routes for improving CPV: Increase number of junctions (up to 6J) Material properties, deposition, substrates, Spectral separation: optics, engineering Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 34 Efficienza di celle e moduli commerciali Distribution of photovoltaic cell production by technology, 2006 [Source: Photon International] Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 35 Nanotecnologie per il fotovoltaico Obiettivo: aumentare l efficienza delle celle a film sottile, verso o oltre il limite di Shockley-Queisser. A tale scopo si utilizzando gli effetti di confinamento quantico nelle nanostrutture di semiconduttori (quantum wells, wires, dots). 1) Utilizzare la regione dello spettro solare con hν<e g 1a) Intermediate-band level 1b) Up-conversion 2) Migliorare l utilizzo della regione spettrale con hν>e g 2a) Multiple-exciton generation 2b) Hot-carrier solar cells 2c) Down-conversion 3) Altri effetti ottici: 3a) Ridurre la riflettività (black silicon) 3b) Aumentare l assorbimento tramite risonanze plasmoniche Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 36 6

7 Aumentare l efficienza: light trapping in combinazione con celle a film sottile Randomizing rear surface Photonic crystal at rear surface Concentratori fluorescenti Tilted rear surface Solar cell Spessore micro- o submicrometrico, dell ordine della lunghezza d onda della luce visibile: nano-fotonica per il fotovoltaico Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 37 Strato polimerico con dye fluorescenti, accoppiato ad una cella ad alta efficienza incollata sul bordo Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 38 Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC), note anche come celle fotoelettrochimiche o celle di Grätzel (1991) Efficienza di celle solari di ricerca Efficienza: 6-11% Vantaggio: costo molto basso (materiali organici) Svantaggio: stabilità nel tempo Sta iniziando la commercializzazione prospettive molto interessanti Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 39 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 40 Indice Lezione 1: Semiconduttori Cenni storici Energia dal Sole Solare termico e termodinamico Semiconduttori: bande e gap, portatori, assorbimento Semiconduttori: drogaggio, giunzione p-n Lezione 2: Celle fotovoltaiche ed efficienza Circuito equivalente e caratteristiche I-V Limiti all efficienza di conversione Celle di prima, seconda e terza generazione Considerazioni sul solare fotovoltaico Consumo di energia primaria World primary energy demand in the reference scenario (Mtoe) IEA World Energy Outlook, 2008 (n.b. 1 Toe=11.63 MWh) 80.9% Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 41 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 42 7

8 Generazione di energia elettrica, 2006 All data in TWh World* EU* Italy** Coal Oil Gas Nuclear Hydro Renewables (excl. hydro) Biomass and waste Wind Geothermal Solar 4 2 <0.1 Total Energy/person/day *IEA World Energy Outlook, 2008 **Elab. Terna+GSE Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 43 Unione Europea: la direttiva Il Parlamento Europeo ha approvato a fine 2008 il pacchetto clima-energia volto a conseguire gli obiettivi che l'ue si è fissata per il 2020: ridurre del 20% le emissioni di gas a effetto serra (rispetto al 1990); portare al 20% il risparmio energetico; aumentare al 20% il consumo di energia da fonti rinnovabili (per l Italia l obiettivo nazionale è del 17%) rispetto all energia primaria. Il pacchetto comprende provvedimenti sul sistema di scambio di quote di emissione e sui limiti alle emissioni delle automobili. Considerando i consumi di energia dei 4 settori (industria, trasporto, riscaldamento, elettricità), la produzione di energia elettrica dovrà provenire per almeno il 35-40% da fonti rinnovabili. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 44 Solare fotovoltaico: alcune questioni importanti Potenza installata vs. energia prodotta (intermittenza) Filiera industriale e disponibilità di materiali Resa energetica e payback time Impatto ambientale (produzione di gas serra) Spazio necessario (densità di potenza) Costi: verso la grid parity Potenza installata La potenza installata, misurata in Wp (Watt-picco), rappresenta la potenza prodotta dai moduli fotovoltaici sotto condizioni standard di illuminazione: spettro AM 1.5, radianza 1000 W/m 2, T=25 C. Ad esempio, 1 kwp (o 1 kw installato) produce un kilo-watt di potenza quando le celle sono illuminate con spettro AM 1.5 di radianza totale 1000 W/m 2. La potenza installata dipende dall efficienza della cella: ad esempio, 1m 2 di celle con efficienza 12.5% produce 125 Watt in condizioni standard di illuminazione ed equivale a 125 Wp installati. Con questa efficienza, un 1 kwp richiede 8 m 2 di celle. La potenza installata non dipende dall irraggiamento (e quindi dalla posizione geografica) e non tiene conto dell effetto di intermittenza della radiazione solare. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 45 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 46 Energia prodotta Irraggiamento solare annuo (Italia) L energia prodotta da un impianto fotovoltaico dipende non solo dalla potenza installata ma anche da una serie di fattori: 1. L orientazione dei moduli rispetto al sole. Nell emisfero boreale l orientazione ottimale è a sud. 2. L angolo di inclinazione rispetto al piano orizzontale: l angolo ottimale dipende dalla latitudine, in Europa è fra 30 e 37 gradi. 3. L eventuale ombreggiamento dell impianto, anche solo in certe ore del giorno. 4. L irraggiamento medio sul sito, ossia gli effetti di intermittenza. Nel seguito assumiamo condizioni ottimali per quanto riguarda i punti 1-3 ed esaminiamo l effetto dell irraggiamento medio. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 47 Milano: 1376 kwh/m 2 /y Roma: 1522 kwh/m 2 /y Trapani: 1639 kwh/m 2 /y Vedi Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 48 8

9 Energia prodotta - esempio Quanta energia produce un impianto da 1 kwp in un anno? Spettro standard Milano (media) Trapani (media) Radianza (W/m 2 ) Irraggiamento annuo (kwh/m 2 ) Energia prodotta (kwh) Un impianto da 1 kwp produce in un anno una energia pari all irraggiamento totale, espresso in kwh/m 2 /y. Questo numero si riferisce all uscita dai moduli in corrente continua. L energia in corrente alternata è ottenuta moltiplicando per l efficienza complessiva del sistema, in genere fra 0.75 e 0.85 (collegamenti, inverter, : si parla di BOS-Balance of System). Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 49 Potenza installata ed energia prodotta: Italia In sostanza, 1 kwp produce circa: 1032 kwh all anno a Milano ( kwh/y) 1229 kwh all anno a Trapani ( kwh/y) In Italia, gli impianti fotovoltaici installati e connessi alla rete (grid-connected) hanno raggiunto la capacità complessiva di GWp al 20 marzo 2012 (vedi il sito del gestore elettrico nazionale: [rispetto a 1 GW nel 2010!!] Pertanto, il fotovoltaico attualmente installato in Italia può produrre in un anno una energia dell ordine di 15 TWh. Questo valore rappresenta quasi il 5% dell energia elettrica consumata in Italia nel 2004 (321 TWh). Il costo annuo degli incentivi è di 5.6 G (pagato con un extracosto di /kwh in bolletta) Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 50 Cumulative installed PV capacity in EU 27 & world mind the derivative MW Il tasso annuo di crescita è compreso fra il 24% e il 39%. Fonte: EPIA Set for 2020 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 51 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 52 World-wide PV Production 2009 and planned production capacity increases Thin-film solar PV technologies Market shares 2010 [Poli-Mi, Dip. Ingegneria Gestionale, Solar Energy Report 2011] Actual and planned PV production capacities [JRC EU PV report 2010] Source: JRC EU PV report 2010 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 53 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 54 9

10 Il trend è di crescita è notevole Fotovoltaico: filiera industriale (poly-si, c-si) Un tasso di crescita del 39% annuo corrisponde ad un raddoppio in poco più di 2 anni, ovvero ad un aumento di un fattore 10 in 7 anni. Un tasso di crescita del 26% annuo corrisponde a un tempo di raddoppio di 3 anni, ovvero ad un aumento di un fattore 10 in 10 anni. Attualmente la capacità di generazione fotovoltaica installata in Europa produce circa il 2% della domanda di energia elettrica. Lo studio Set for 2020 della EPIA (European Photovoltaic Industry Association) mostra che, negli scenari business as usual e policy driven (ossia con sostegno attivo di opportune politiche), nel 2020 il fotovoltaico può arrivare a coprire il 6-12% del fabbisogno di energia elettrica di EU 27 ( TWh prodotti, GWp installati). Questo è il primo passo per una ulteriore penetrazione nel mercato. Ma ci sono limiti fisici allo sviluppo del fotovoltaico su larga scala? Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 55 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 56 Produzione di silicio Abbondanza degli elementi sulla crosta terrestre 1) Silicio metallurgico (puro al 98-99%): reazione della silice con il carbone at alta temperatura SiO 2 + C Si + CO 2 2) Purificazione chimica: distillazione di composti del silicio (triclorosilano, tetracloruro di silicio) seguita da reazioni ad alta temperatura SiCl Zn Si + 2 ZnCl 2 (metodo DuPont, non più in uso) 2 HSiCl 3 Si + 2 HCl + SiCl 4 (metodo Siemens) Il silicio prodotto con questi processi o altri simili è chiamato polysilicon e ha un grado di purezza molto elevato (impurezze <10-9 ). Il silicio monocristallino (lingotti) viene poi ottenuto con il metodo Czokralski. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 57 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 58 Elementi: abbondanza e produzione Quanto silicio serve per le celle solari? Elemento Oxygen Silicon Aluminum Iron Cadmium Tellurium Simbolo O Si Al Fe Cd Te Abbondanza relativa 47% 28% 8% 5% ppm ppm Produzione annuale (Tons) n.b. ordine di grandezza metallurgical grade electronic grade solar grade N.b. La densità del silicio è 2.33 g/cm 3 Celle di silicio cristallino: Assumendo 8 m mm/kwp 4 cm 3 / Wp si ottiene circa 10 g di silicio / Wp (Watt installato) Assumendo che 1 Wp produca 25 kwh (25 anni) si ottiene circa 0.4 g di Silicio / kwh prodotto Celle di silicio a film sottile: questi numeri si riducono di 2-3 ordini di grandezza Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 59 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 60 10

11 Payback time Energy payback times for range of PV systems (rooftop system, irrad resp kwh/m2/year). Source: EPIA Resa energetica Poiché la durata di un impianto fotovoltaico è di almeno 25 anni, la resa energetica ossia il rapporto fra l energia prodotta complessivamente dalla cella e l energia spesa per costruirla è data da: Resa energetica > 25 / payback time (years) Ad esempio, per una cella di silicio multicristallino, la resa energetica è circa 8 nel Nord-Europa e circa 14 nel Sud-Europa. Per una cella a film sottile, la resa energetica è circa 17 nel Nord-Europa e circa 28 nel Sud-Europa. Il payback time è il tempo in cui una cella solare produce una energia pari a quella spesa per la sua costruzione. È compreso fra 0.8 e 3.5 anni, a seconda della tecnologia e dell irraggiamento locale. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 61 una cella fotovoltaica produce molta più energia di quella spesa per la sua costruzione Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 62 Impatto ambientale: gas serra (EPIA 2010) Greenhouse gases (grams of CO 2 -equivalent per kwh) Photovoltaics Le emissioni di gas serra associate ad una cella solare sono legate principalmente all energia spesa nei processi per la sua fabbricazione, e sono ridotte rispetto alla stessa energia prodotta da combustibili fossili di un rapporto pari alla resa energetica della cella stessa. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 63 Impatto ambientale: tossicità Le celle fotovoltaiche basate su silicio (cristallino, policristallino o amorfo) non hanno nessun problema di tossicità. Le celle a film sottile (CdTe, CuInGaSe 2, DSSC) contengono minime quantità di materiali. Le celle basate su CdTe hanno un potenziale problema di tossicità. Il Cadmio libero è fortemente tossico. Il CdTe è stabile e non tossico, ma può liberare Cadmio ad es. in caso di incendio. Le celle di CdTe vengono ritirate a fine ciclo per smaltimento controllato (First Solar). In futuro potrà essere previsto il ritiro di tutte le celle PV a fine ciclo, anche per riutilizzare i materiali e ridurre i costi. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 64 Solare fotovoltaico: quanta superficie serve? (Italia) Ipotesi:Irraggiamento totale annuo = 1400 kwh/m 2 efficienza pannelli fotovoltaici=12.5% consumo annuale di energia (2006) 320 TWh= kwh trascuriamo le perdite di Balance of System In 1 m 2 di pannelli si producono =175 kwh Per produrre 320 TWh servono m 2 =1 830 km 2 La superficie dell Italia è di km 2 occorre utilizzare il 0.6% del territorio Spazio disponibile: tetti+facciate 1000 km 2 terreni incolti o a scarso rendimento (foraggere) km 2 occorre utilizzare il 3.3% dei terreni incolti Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 65 Costi del fotovoltaico: la grid parity La grid parity è un insieme di condizioni economiche caratterizzate dalla coincidenza del costo del Kilowattora di energia prodotta dal fotovoltaico, in assenza di incentivi, con il costo del Kilowattora prodotto da fonti convenzionali. La grid parity dipende dal costo dell energia fotovoltaica (irraggiamento annuo, efficienza dei moduli e costo/m 2, efficienza complessiva, extra-costi) e dal costo dell energia convenzionale (mercato energetico globale e nazionale, tipo di utente, fasce orarie ). Nel valutare i dati da varie fonti occorre fare attenzione alla distinzione fra costo (di produzione) e prezzo (di vendita): bisogna confrontare costo costo o prezzo prezzo [... e occhio all IVA!] Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 66 11

12 Quanto costa 1 kwh di energia fotovoltaica? Assumiamo: costo impianto = / kwp: equivalente a 625/m 2 con efficienza del 12.5%, ovvero 8 m 2 per 1 kwp irraggiamento annuo 1600 kwh/m 2 (Sardegna) fattore di efficienza complessiva 0.75 (BOS-Balance of System) durata impianto 25 anni Un impianto da 1 kwp produce quindi kwh= kwh nel suo ciclo complessivo. Il costo di 1 kwh è: 5000 / kwh=0.167 /kwh N.b. il costo dell impianto è sovrastimato. D altra parte non stiamo tenendo conto di: manutenzione, assicurazione, cali di efficienza (costo +20% in tutto) e dei costi di installazione. I due effetti tendono a compensarsi. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 67 Sud Italia Nord Italia Sud Germania Nord Germania Dipendenza dal sito Irraggiamento annuo (kwh/m 2 ) ~ 1600 ~ 1400 ~ 1200 ~ 1000 Costo per kwh ( ) Il costo dell energia fotovoltaica dipende fortemente dal costo per kw installato (ovvero dall efficienza dei moduli e dal prezzo), ed inoltre dall irraggiamento annuo che varia a seconda del sito di installazione. I VALORI QUI RIPORTATI SONO STIME, ASSAI DISCUTIBILI. Invece sono certamente validi gli andamenti in funzione del sito. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 68 Costo e prezzo Attenzione, questi valori vanno confrontanti non con il costo di produzione dell energia elettrica (circa 0.06 /kwh con centrali a turbo-gas) ma con il prezzo di vendita sul mercato. Il prezzo del kwh in Italia per clienti residenziali varia da circa 0.12 a 0.18 /kwh. Questi calcoli dipendono molto dalle ipotesi di partenza e sono discutibili. Tuttavia permettono di arrivare a due conclusioni: Attualmente l energia solare fotovoltaica ha in media un costo decisamente superiore a quello dell energia elettrica da rete (grid electricity): il mercato del fotovoltaico si sostiene grazie agli incentivi nei vari Paesi. Nelle regioni più soleggiate (sud-europa), la parità dei costi non è lontana. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 69 PV module price experience curve since 1976 ($/W) (fonte: EPIA Set for 2020) Curva di apprendimento: il costo dei moduli si riduce del 22% ogni volta che la produzione complessiva raddoppia. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 70 Verso il 2020 Verso la grid parity Se i costi dell energia fotovoltaica continueranno a ridursi seguendo la curva di apprendimento storica, un tasso di crescita annuo del 26% (tempo di raddoppio ogni 3 anni) implica una riduzione dei costi del 7% all anno il costo del kwh solare si ridurrebbe di quasi un fattore 2 in 10 anni. In questo scenario, il costo dell energia solare diventerebbe competitivo con quello dell energia elettrica da rete in buona parte dell Europa, permettendo una ulteriore crescita del mercato in assenza di incentivi. La grid parity può essere vicina! Fonte: Stephen O Rourke/Deutsche Bank, indiretta Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 71 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 72 12

13 Grid parity: redditività dell investimento fonte: Poli-Mi, Dip. Ingegneria Gestionale, Solar Energy Report 2009 Impianto da 3 kw Impianto da 200 kw, scambio sul posto Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 73 Il decreto sugli incentivi al fotovoltaico (4 conto energia) Ministeri dello Sviluppo Economico e dell Ambiente, 5 maggio 2011 Obiettivi: incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti solari fotovoltaici (tradizionali, a concentrazione, integrati) Allineamento graduale delle tariffe ai costi delle tecnologie, in linea con altri paesi EU (Germania), dando stabilità e certezze al mercato Incentivi a scalare (décalage), giugno 2011-dicembre 2016 Differenziati per potenza degli impianti (da 1 a 3 kw fino a > 5 MW). Ulteriori incentivi per impianti con tecnologia UE. Obiettivi annuali di potenza installata, ulteriore riduzione degli incentivi in caso di superamento. Costo annuo cumulato a regime: 6-7 G (~0.02 /kwh in bolletta) Obiettivo nazionale per il 2016: potenza installata 23 GW (~42% potenza di picco, ~9% energia prodotta) Previsione di raggiungimento della grid parity nel 2017 Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 74 Tariffa ( /kwh) Incentivi: il décalage Ministeri dello Sviluppo Economico e dell Ambiente, 5 maggio autoconsumo kW < P < 3kW 3kW < P < 20 kw 20 kw < P < 200 kw 200 kw < P < 1 MW 1 MW < P < 5 MW 5 MW < P Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 75 Conclusioni: tecnologie e limiti fisici Il fotovoltaico è caratterizzato dall esistenza di diverse tecnologie: Silicio cristallino e policristallino Film sottili (a-si, CdTE, CIGS, tandem a-si/μm-si e nc-si Multigiunzioni III-V con concentrazione Celle DSSC, celle solari organiche. Uno dei suoi punti di forza è costituito dalla competizione di diverse tecnologie sul mercato, assieme alla possibilità di installare sistemi di taglia molto diversa (1-3 kw fino a MW). Il potenziale dell energia solare è molto superiore ai consumi. L impatto ambientale (gas serra) è molto inferiore a quello dei combustibili fossili. Lo sviluppo del fotovoltaico è attualmente limitato dai costi, con necessità di incentivi. La grid parity potrebbe essere raggiunta fra pochi anni. In prospettiva, l uso dello spazio e la disponibilità di materiali (almeno per certe tecnologie) potranno diventare fattori rilevanti. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 76 Conclusioni: gli andamenti verso il 2020 Il mercato del solare fotovoltaico cresce a ritmi molto sostenuti con una parallela riduzione dei costi, in particolare nel film sottile. Entro il 2020 l energia prodotta dal fotovoltaico potrebbe dare un contributo significativo all energia elettrica prodotta in Europa (6-12%) e U.S.A. Entro il 2020 la grid parity potrebbe essere raggiunta nella maggior parte dell Europa e degli USA, permettendo una ulteriore crescita del mercato in assenza di incentivi. Questo scenario è possibile (non vi sono limiti fisici) ma richiede forte sostegno politico e sociale, con scelte appropriate, e uso degli spazi potenziali. I prossimi 5-10 anni saranno decisivi. Target italiani: 23 GW (9% energia elettrica) nel 2017, grid parity Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia oltre il 2020? Le celle di prima generazione basate su silicio cristallino e policristallino (wafer) potrebbero incontrare limiti materiali (produzione del silicio) e di riduzione dei costi, lasciando la quota maggiore del mercato alle celle di seconda generazione a film sottile. Altre tecnologie di terza generazione potrebbero nel frattempo entrare nel mercato in misura rilevante. Lo sviluppo parallelo di tecnologie diverse da parte di una pluralità di soggetti dovrebbe continuare a sostenere la crescita del settore, risolvendo i bottleneck nelle varie fasi della filiera. Con l aumento della quota di energia fotovoltaica diventeranno rilevanti altre questioni e sviluppi tecnologici: picchi di produzione, interconnessioni (smart-grid), storage energetico. La soluzione di questi problemi richiederà un grande sforzo di ricerca e investimenti nelle infrastrutture energetiche. Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 78 13

14 Riferimenti: testi J. Nelson, The Physics of Solar Cells (Imperial College Press, 2003) P. Würfel, Physics of Solar Cells, 2 nd ed. (Wiley-VCH, Weinheim, 2009) M. A. Green, Third-Generation Photovoltaics (Springer, 2003) L. Maugeri, Con tutta l energia possibile (Sperling & Kupfer, 2008) F. Seitz, N.G. Einspruch, La storia del silicio (Bollati- Boringhieri, 1998) Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 79 Fonti International Energy Agency [1] European Commission Energy [2] Eur. Comm., Joint Research Center [3] European PV Industry Association [4] Dip. Ingegneria Gestionale, Poli-MI [5] Min. Sviluppo Economico [6] Gestore Elettrico Nazionale Irraggiamento comuni italiani U.S. DOE, Nat. Renew. Energy Lab. [1] IEA World Energy Outlook 2008 [2] ITALIA Scheda descrittiva Combinazione energetica [3] EC JRC PV Status Report 2010, 2011 [4] EPIA Set for 2020 report [5] Solar Energy Reports 2009, 2011 [6] Decreto Interministeriale sugli incentivi al fotovoltaico, 5 maggio 2011 qualche volta Wikipedia ma non fidatevi dei dati! Fotovoltaico: celle ed efficienza - Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 80 14

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