Energia solare: che cos è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future

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1 Progetto Lauree Scientifiche Università degli Studi di Milano Bicocca Scuola per insegnanti : ENERGIA e TECNOLOGIE DI PRODUZIONE ENERGETICA Energia solare: che cos è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future Simona Binetti Milano-Bicocca Solar Energy Research Center (MIB-SOLAR) Università di Milano-Bicocca Milano, Italy

2 Domande tipiche di un giovane curioso : 1. Come fa a produrre energia? i.e Come funziona una cella fotovoltaica o solare ( i.e. perchè genera una corrente elettrica? 2. E una fonte sufficiente per soddisfare i bisogni futuri della umanità? 3. Di che materiale sono fatte? 4. Come si fa a realizzarla? 5. Quanta energia produce? quanti pannelli mi servono per i consumi medi? 6. Quanti tipologie ci sono? 7. Quanto costa? 8. E vero che non inquina? Ma io per realizzare le celle ho bisogno di energia e lo smaltimento? 9. Come è la situazione e che prospettive ci sono? 10. Dove sta andando la ricerca? 11. Chi le ha inventate e scoperte? 12.. perchè sono blu, perchè c è il vetro? come si legge una datasheet di un pannello? Proviamo a dare una risposta

3 La fonte : Il sole e la sua radiazione T=5778 K Legge di Stefan-Boltzmann: E= σt 4 T= 5778 K P irradiata= 6, W/m 2 P irradiata Tot =3.84 x W (raggio sole km) 3,84 x10 2 4πR l energia del sole che arriva ogni secondo alle soglie dell atmosfera terrestre che colpisce un 1m 2 di superficie ortogonale ai raggi stessi Sulla terra: 26 = 1368W / m sfera con centro nel centro del sole e raggio pari alla distanza terra sole (150 milioni di km) Costante solare 2 3

4 La fonte : Il sole e la sua radiazione Effetto dell atmosfera: Energy distribution (kw/µm 2 /micron) K black body 1.5 AM0 radiation 1 AM1.5 radiation micron AM? 4

5 AM: Air Mass La massa d aria che i raggi solari attraversano quando il sole é direttamente perpendicolare alla superficie terrestre viene chiamata air mass Quindi AM0 è la radiazione solare appena fuori dall atmosfera terrestre AM 1 corrisponde alla luce perpendicolare (angolo nullo rispetto allo zenith). La radiazione standard utilizzata è l AM 1.5 (luce solare con angolo di rispetto allo zenith, h l 1 l 2 atmosphere cosδ earth our latitude (Milan ) AM = h l AM0 = outside atmosphere AM1 = equator AM1.5 =48.19 n = 1 5

6 Condizioni standard La radiazione solare standard AM 1.5, detta anche 1 sun, corrisponde : Densità di potenza integrata di ca W/m 2. Flusso di fotoni : 4.31 x s^-1 m -2 range di lunghezze d onda: 280 a 4000 nm. spettro solare: AM1.5 global (IEC : 2008, ASTM G global) temperatura: 25 C FAQ: come si legge un datasheet di una cella

7 Energia solare : Potenzialità L energia solare è praticamente infinita 1, 5 bilioni di TWh/anno ovvero volte il consumo mondiale annuale (15 miliardi di kwh anno) Sarebbe sufficiente coprire lo 0.1 % delle terre emerse con dispositivi con efficienza media del 10 % per soddisfare le richieste annuali mondiali di elettricità FAQ: E una fonte sufficiente per soddisfare i bisogni futuri della umanità? 7

8 Solar irradiation irradiation (kwh/m 2 yr) Dipende dalla latitudine e dal periodo dell anno (condizioni climatiche) insolation map:.

9

10 FAQ : chi le ha inventate? Un pò di storia.. Alexandre-Edmond Becquerel η=1% 10

11 Avvento e sviluppo di nuovi materiali (silicio) UNSW Efficiency, % Bell laboratories,1954 η= 6% 0 5 FAQ : Come funziona una cella FV? Le celle attualmente in commercio si basano sulla fisica e tecnologia dei semiconduttori

12 Metalli, semiconduttori e isolanti Conduttori : -la conducibilità diminuisce con la temperatura. - vi è un solo portatore di carica Semiconduttori -aumenta con la temperatura -processo di trasporto avviene tramite due portatori di carica -aumenta con introduzione di impurezze

13 Distinzione tra metalli isolanti e semiconduttori Energy gap diamante 5,3 ev isolante silicio 1,1 ev semiconduttore germanio 0,7 ev semiconduttore Concetto fondamentale gap del semiconduttore Nei metalli gli elettroni di energia prossima all estremo superiore della porzione della banda occupata possono facilmente acquistare per effetto di un campo elettrico l energia sufficiente per occupare gli stati vuoti vicini. Negli isolanti e - non sono in grado di muoversi

14 Semiconduttori di tipo n Effetto del drogaggio Energia di legame? Atomo idrogenoide : E E 2 4 m0e = 2 2 h ε 2 0 * E 0 n D = εd mo H ε m H ns 2 np 3 E D = 30 mev n= N d + n i Impurezze: donori m* = massa efficace

15 Semiconduttori estrinseci: schema a bande Creazione di bande semipiene e quindi conduzione sia di tipo p che di tipo n

16 FAQ : Come funziona? Giunzione p-n P N p = p p0 N A n = n p0 n i 2 /NA n = n n0 N D p = p n0 n i 2 /ND CB E c E Fn E Fp VB E v P N E 1 = kt ln (N V /N A ) T ra nsitio n R e g io n q ψ 0 E c E F E 2 = kt ln (N C /N D ) E v 16

17 Funzionamento della cella: Giunzione p-n sotto illuminazione 1. Fotoni di energia > Egap generano coppia e h 2. Il campo elettrico della giunzione separa i due portatori liberi creati 3. Si produce una corrente inversa anche in assenza di una tensione applicata FAQ : come fa a produrre corrente? 17

18 I o [ e ] ev / kt I sc = I 1 1. Una giunzione p-n illuminata, non polarizzata e chiusa su un carico nullo, genera una corrente I sc 2 Una giunzione p-n illuminata, a circuito aperto genera una tensione detta tensione di circuito aperto V oc

19 Giunzione p-n sotto illuminazione e parametri di cella η = P P I V m P Max m = = in ImVm FF = IscVoc in I V P SC in OC FF 19

20 Celle solari giunzione singola: limiti di efficienza Limite teorico di conversione 94% (Carnot) η = 1-T D /T 5778 s = Limite teorico giunzione singola 31% (gap 1.2eV) Sunlight intensity (W/m 2 /nm) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 down-shifting 0,4 0,2 0,2 AM 1.5G 0,0 c-si solar cell 0, Wavelength (nm) 1,0 0,8 0,6 0,4 External Quantum Efficiency Fonte:

21 Tecnologie FV (consolidate ed emergenti) c-silicon solar cells (1 generazione) : Attualmente circa 90 % degli impianti installati è a base di silicio Attività di ricerca ancora attiva con l obbiettivo di aumentare il rapporto efficienza /costo Inorganic thin-film technologies (2 generazione) a-si-h, µc-si-h, nc-si CdTe, CIGS Cu(In,Ga)Se 2 Organic thin film technologies (3 generazione) Dye solar cells; Organic bulk donor acceptor herojunction solar cells Basso costo del materiale attivo e del substrato Basse efficienza e stabilità nel tempo (l obiettivo è 10 % per le celle ibride polimeriche e 15 % per le celle DSC (Dye solar cells) Celle per applicazione spaziali o per concentrazione (GaAs- AlGaAs/GaAs/Ge) FAQ : di che materiale sono fatte? S Binetti S.Binetti Energia Solare

22 Celle e moduli al silicio FAQ come si fa a realizzarle?

23 Produzione di Si metallurgico Da quarzo o carbon fossile Il materiale Purificazione per distillazione del SiHCl 3 Deposizione del polisilicio Reazione del Si con HCl SiO2+ C -> SiC+ + SiO2-> Si+ SiO+ + CO Produzione mondiale ~ 1,000,000 MT/y Silicio grado elettronico Si monocristallino Crescita del lingotto Si multicristallino

24 Dal il silicio multicristallino al pannello

25 Cella al silicio: il dispositivo UNSW Efficiency, % n-contact ARC n-emitter pn- Junction p-base Al-BSF Contact Antireflection coating Surface recomb. Si p-type quality Rear recombination Process p-contact Saw Damage Removal Texture + Cleaning Diffusion PSG Removal ARC Screenprinting Firing, Finger) Isolation 25

26 Effetto dello spessore : fenomeni di interferenza da lamine sottili R In rete : 1 solar cell multi crystlalline 2 color optionable 3 156*156mm 4 anti reflection coating 5 3.5W~3.85W,Efficiency 14.3%~15.8%. Spessore ottimale dà una colorazione blu FAQ Perchè sono blu?

27 Pannelli o moduli a silicio cristallino (mc-si o c-si): un pò di numeri Celle a silicio monocristallino: Suntech PLUTO: η= 19% Voc= 632mV Jsc = 38.2 ma/cm2 FF=78.8% Institute/co mpany cell/modul e (mc-si substrate) area [cm2] Jsc [ma/ cm2] Voc [mv] FF [%] η Fraunhofer ISE small cell ± 0.5 [14] Q-cells large cell ± 0.4 [14] Q-cells 60 cell module A 38.8 V ± 0.4 ] Pannelli commerciali Dimensioni : 1,65 m2 formato da 10 file di 6 celle monocristallino ciascuna Voc= 38,1 Isc= 8,59 A Impianto pari a 2,94 kwp Ogni modulo fa circa 245 Wp Borgagne (LE) FAQ: come si legge un datasheet di un pannello S.Binetti Energia Solare [%]

28 Pannelli o moduli a silicio cristallino (mc-si o c-si): un pò di numeri Cella singola mc-si : forma quadrata, misura solitamente 125x125 mm e produce, con un irraggiamento di 1 sun kw/mq ad una temperatura di 25 C, una corrente compresa tr a i 3 e i 4 A e una tensione di circa 0,5 V, con una potenza corrispondente di 1,5-2 Wp 1m 2 di celle con efficienza 12.5% produce 125 Watt in condizioni standard di illuminazione i.e. 125 Wp installati. Con questa efficienza, un 1 kwp richiede 8 m 2 di celle. Eff= 16 % (mio impianto in puglia) 6.5 m 2 per fare 1KWp In Puglia : 1,65 m 2 fanno 245 Wp: Impianto da 2,94kWp: equivale a 12 pannelli da 60 celle di monocristallino per un totale di 720 celle e una superficie di circa 19,8 m 2 (ogni cella fa 4.02 Wp) 1 kwp produce circa: 1032 kwh all anno a Milano 1229 kwh all anno a Trapani In 3 ore mediamente un abitazione europea consuma 1,1kWh

29 Fotovoltaico: quanta superficie serve? Solare fotovoltaico: (Italia) Ipotesi:Irraggiamento totale annuo = 1400 kwh/m2 efficienza pannelli fotovoltaici=12.5% consumo annuale di energia (2004)=321 TWh= kwh In 1 m2 di pannelli si producono =175 kwh (20 m2 16kWh al giorno in agosto puglia max 292 kwh all anno) Per produrre 321 TWh servono m2=1 830 km2 La superficie dell Italia è di km2 occorre utilizzare il 0.6% del territorio Spazio disponibile: tetti+facciate 1000 km2 terreni incolti km2 occorre utilizzare il 3.3% dei terreni incolti Consumi di una famiglia media annui: 4410kWh circa 20 m2 producono 2,9kWp cioè producono 16 KWh al giorno (consumo giornaliero 12 KWh) S.Binetti Energia Solare

30 Il consumo medio di una famiglia italiana (media nazionale) è di ( 3200, 2200) kwh/anno. Questo significa che la richiesta di una famiglia media verrebbe soddisfatta utilizzando un impianto di potenza pari a circa 3,3 KWp (2, 9, 1.2) per una superficie impegnata, al massimo, di circa mq, che possono ridursi utilizzando moduli ad alta efficienza Costo di un impianto medio-piccolo è di circa 4000 Euro per KWp (Per un impianto da 1 MW: Costo totale dell Impianto è di 2900 Euro /kwp) Spesa impianto pugliese euro 2.94 kwp A parità di consumi : 27 m 2 (MI) 20 m 2 (LE) FAQ : quanti pannelli mi servono per soddisfare le mie esigenze? E quanto mi costa?, cioè il prezzo?

31 FAQ : Quanto costa 1 kwh di energia fotovoltaica? Quanto costa 1 kwh di energia fotovoltaica? costo impianto = 6000 / kwp: equivalente a 750/m2 con efficienza del 12.5%, ovvero 8 m2 per 1 kwp irraggiamento annuo 1600 kwh/m2 (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: 6000 / kwh=0.2 /kwh N.b. il costo dell impianto è un po sovrastimato. D altra parte non stiamo tenendo conto di: manutenzione, assicurazione, cali di efficienza (costo +20% in tutto). I due effetti tendono a compensars 31

32 10 Euro/Wp ,5 /Wp Cost reduction for PV energy Cumulative production MWp Source: PSE GmbH, Module cost xwp: 2010 $1, $1, $0,87 Source: NREL Usa FAQ : ma qual è il costo? S Binetti S.Binetti Energia Solare

33 Vita media 30 anni: Durata e Garanzia : Azienda italiana : moduli garantiti 20 anni da difetti di fabbricazione e fino a 28 anni sul rendimento, inverter garantiti fino a 20 anni. FAQ : Quanto durano?

34 FAQ: E quando non funzionano più cosa ne faccio?

35 FAQ :E vero che non inquina? Ma io per realizzare le celle ho bisogno di energia? 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 35

36 Tecnologie FV (consolidate ed emergenti) c-silicon solar cells (1 generazione) : Attualmente circa 90 % degli impianti installati è a base di silicio Attività di ricerca ancora attiva con l obbiettivo di aumentare il rapporto efficienza /costo) Inorganic thin-film technologies (2 generazione) a-si-h, µc-si-h, nc-si CdTe, CIGS Cu(In,Ga)Se 2 Organic thin film technologies (3 generazione) Dye solar cells; Organic bulk donor acceptor herojunction solar cells Basso costo del materiale attivo e del substrato Nasse efficienza e stabilità nel tempo (l obiettivo è 10 % per le celle ibride polimeriche e 15 % per le celle DSC (Dye solar cells) FAQ 2 di che materiale sono fatte? S Binetti S.Binetti Energia Solare

37 Evoluzione del record di efficienze delle celle solari a film sottili 20 Efficiency (%) CuInGaSe 2 CdTe Amorphous silicon (stabilized) Matsushita Boeing Monosolar Kodak Boeing Univ. of Maine Kodak Boeing Univ. of So. Florida NREL BP Solar EuroCIS Boeing Boeing ARCO Univ. of So. FL Photon Energy AMETEK United Solar ECD NREL NREL RCA

38 Celle solari di 2 generazione : film di silicio microcristallino (µc-si-h) a-si/ micro-amorfo (a-si-h): Tecnologia matura Fabbriche chiavi in mano glass SiO2 SnO2 p-layer i-layer n-layer p-layer i-layer µc-si:h a-si:h (a-si:h or a-si:ge:h) Effetti di degrdazione alla luce (Staebler-Wronsky light induced degradation effect) bassa efficienza (η = 8% - 101%) n-layer ZnO rear metal contact

39 Celle solari a film di CIGS TCO window absorber contact substrate ZnO CdS CIGS Cu (Ga,In) (Se,S) 2 Mo glass CIGS : Cu(In, Ga) Se 2 Elevata efficienza(η = 16%-20.3 %) Bassi costi di produzione Possibilità di depositare su substrati flessibili Elevata stabilità (30 anni) Tecnologia complessa non ancora ottimizzata Tossicità di alcuni componenti (Cd) e scarsità di materiali (In)

40 film di CdTe glass TCO window alloy layer absorber metal contact SnO2 CdS CdSxTe1-x CdTe Media efficienza (η = 16.5 %) Band gap diretto of 1.5 ev Alta velocità di deposizione (circa 10 micron / min). Tossicità Attualmente bassa resa di produzione Disponibilità del materiale

41 celle organiche: celle a colorante(celle di Graetzel) DSCs world record: Ru(II) organic complex N3/N719 as sensitizer HOOC COOH HOOC N N N C S Ru N N C S N COOH Record: η=11.2% I coloranti assorbono efficacemente la luce solare generando una coppia elettrone-lacuna che viene separata all interfaccia con le nanoparticelle e quindi trasportata rispettivamente dal biossido di titanio e dall elettrolita ai due elettrodi Questo principio è assolutamente analogo al fenomeno della fotosintesi clorofilliana: infatti in essa la clorofilla ricopre il ruolo del materiale attivo, il CO2 è l'accettore di elettroni, mentre l'acqua è il donatore

42 Basso costo La commercializzazione dei primi sistemi è appena partita Flessibilità (colori, BIPV) Basso energy pay back (4-6 mesi) Stabilità nel tempo Relativa bassa efficienza

43 PV market outlook 2010: 40 GWp 50 TWh Source: Europe maintains leadership, with Germany as the World s largest market S Binetti S.Binetti Energia Solare

44 Market forecasts until 2015 World market could reach 15.1 GW GW of new installations in 2012 (5GW in Italy) PV could provide up to 12% of the EU electricity demand by 2020 S Binetti S.Binetti Energia Solare

45 Grid parity PV is now a mature technology that is rapidly approaching grid parity S. Binetti

46 Dove sta andando la ricerca? Riduzione dei costi Aumentare l efficienza Ridurre il costo dei materiali Aumentare il volume di produzione

47 Che caratteristiche deve avere il materiale ideale? 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

48 Third generation solar cells based on silicon Target 0.20 $/Wp Aims : high efficiency solar cells but using abundant, non toxic material and processes for large scale production Tandem solar cells (stacks of individual cells) Limiting efficiency: 74% Si QDS (GaInP/GaAs/Ge) η = 34 %

49 Novel technology Quantum well and QD structures III-V QD s efficiency potential η= 63 % (integration into concentration solar cells) Intermediate band gap solar cells Si (Ge) -QD s in Si Host (η= 35 %) New material (carbon nanotube)or as component of the photoactive material or for electrode Peripheral structures affecting the spectrum (up down conversion surface plasmons) Which is novel today might gradually turn into emerging over time! S Binetti S.Binetti Energia Solare

50 Riferimenti TESTI : A. Luque, S. Hegedus Handbook of Photovoltaic Science and Engineering John Wiley & Sons Inc., M.Sze Physics of Semiconductor Devices; Second Edition; John Wiley & Sons;New York; 1981 M. Green Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications (Prentice-Hall series in solid state physical electronics) P. Würfel, Physics of Solar Cells, 2nd ed. (Wiley-VCH,Weinheim, 2009) Semiconductor Materials) M. Green Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion (Springer Series in Photonics) R. Bube, Photovoltaic Materials (Series on Properties of Semiconductor Materials, Vol 1) P. Menna, F. Pauli L energia solare Il Mulino editore Siti Web: International Energy Agency European PV Industry Association EC, Joint Research Center Solar Energy Research & Consultancy European PV Industry Association Gestore Elettrico Nazionale ENEA

51 MIB-SOLAR: Milano-Bicocca Solar Energy Research Center Contattaci: