Materiali nano-strutturati e nuove tecnologie per sistemi fotovoltaici

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1 Meeting Premio Sapio 30 Ottobre 2008 Materiali nano-strutturati e nuove tecnologie per sistemi fotovoltaici Salvatore Lombardo (*), Ubaldo Mastromatteo, e Salvatore Coffa STMicroelectronics, Catania (*) On leave from CNR-IMM

2 Sun: source practically unlimited is the sun (162,000 TW each second, world consumes an average of 15 TW in 2004 (*)) BUT: PV has a small impact in energy production (in U.S., 2004, %, DoE (*)) TO MAKE IT REAL: NEW FACTORS Introduction According to the U.S. DoE, cost should reach the level of 0.33 USD / W or USD / kwh, i.e. cost of 50 USD / m2 (at 15 % conversion Decreased availability of fossil fuel sources efficiency Detrimental (*)), long-term effects of emissions of CO2 and other greenhouse gases. Increasing worldwide sensitivity toward energy security and price stability issues. Large scale manufacturing of photovoltaics increasingly economically viable. Next major high-technology economic driver, eventually succeeding microelectronics, telecommunications, and display industries. Potential for supplying a significant fraction of the energy demand with minimal environmental and safety impact. (*) Global Energy Perspective, Nathan S. Lewis, CalTECH, MRS Spring Meet. 2007, Facing Our Energy Challenges in a New Era of Science, Patricia M. Dehmer, US DoE, MRS Fall Meet. 2006

3 Si Photovoltaics Nowadays PV production is dominated by crystalline silicon Represents about 90% of the market. Silicon band gap (1.1 ev) optimum to make a single junction good solar converter. Si is one of the most abundant minerals in the Earth s crust (no pollution) Efficiencies up to 25% in nearly ideal device structures, close to maximum theoretical power conversion efficiency of 31% under direct AM1.5 sunlight. Factory devices have 15 % (single crystal) or 13 % (multicrystal cells)

4 Silicon Shortage Problem The module cost vs. Time for almost thirty years followed a classical learning curve trend, with a quite modest experience factor equal to about Starting from 2002 till now the module price is stuck at the 3.1 USD / W level (*), in correspondence with a cost of about 2.6 USD / W. (*) Developments in Silicon Solar Cells, Richard M. Swanson, SunPower Corporation, IEEE-IEDM, Dec. 2007

5 Our Approach Overtake the Silicon Shortage issue and more in general to go beyond the classical learning curve trend discussed above. Need for finding alternative approaches in which either new materials or novel architectures, or both are explored. Study two main areas: Si-based Thin Film PV Concentration PV

6 Thin Films PV 100 volte più sottili del Si (circa 1 3 µm). Substrati a basso costo (vetro, metal foils, e plastica). Film depositati con continuità su grandi aree a basse temperature (da 200 a 500 C contro i 1400 C richiesti per il c-si ) Possono tollerare più alti livelli di impurezze Due svantaggi importanti: Efficienze più basse (fino ad adesso) Conoscenza e tecnologia meno sviluppate

7 Thin-Film Si PV: Scelta del Substrato Opaco, flessibile. Stainless steel o Plastica (polyimide, PEN, PET...) Più robusto, leggero Facile da trasportare. MA: La copertura trasparente è costosa (ETTF) Maggiori problemi di produzione e costi aggiuntivi Vetro (rigido) Soluzione Standard Meno robusto e più difficile da trasportare. MA: Produzione e costi più maneggevoli Sinergia con la tecnologia dei display LCD

8 Amorphous Si Depositato per plasma-enhanced CVD di SiH4 fra 150 e 300 C. Utilizzo dei gas modesto, attorno al 10-30%. 1-10% di H legato a Si. Substrati di basso costo e per basse temperature (vetro, stainless steel, o plastica). I substrati possono essere flessibili per un roll-to-roll manufacturing Giunzioni pn formate con gas droganti contenenti boro o fosforo. Dispositivi a Giunzione Multipla con due o tre giunzione cresciute una sull altra. Spessore totale in qualche caso anche minore di 1 µm. La più alta efficienza riportata fino ad ora è pari a circa il 15% (tripla giunzione) degradata al 13% prima di stabilizzarsi. Caratteristica Unica: l efficienza è quasi indipendente dalla temperatura (per tutte le altre tecnologie l efficienza si degrada quando il modulo si riscalda).

9 Absorption coefficient (cm -1 ) Power (W/m 2 /ev) 8 x Silicon Amorphous-Si Wavelength (m) x 10-7 Amorphous silicon Power (W/m 2 /ev) AM1.5G Absorbed Converted (Theory) Converted (Panel) Photon energy (ev) 8 x Silicon Photon energy (ev) AM1.5G Absorbed Converted

10 Limitazioni Fisiche Fondamentali

11 Micromorph Tandem Solar Cell

12 PV di Terza Generazione I Costi si riferiscono a moduli per W di picco; istallati sono $5-10/W; $0.35-$1.5/kW-hr Nuovi Concetti per Si-based Thin Film PV Solar Energy Conversion Toward 1 Terawatt, David Ginley (NREL, USA), Martin A. Green (UNSW, Australia), Reuben Collins (Colorado School of Mines, USA), MRS Bull. Apr. 2008

13 Si quantum dots: band-gap Correlation of dot size distribution with luminescence and electrical transport of Si quantum dots embedded in SiO2, S. Lombardo, S. Coffa, C. Bongiorno, C. Spinella, E. Castagna, A. Sciuto, C. Gerardi, F. Ferrari, B. Fazio, S. Privitera, Materials Science and Engineering B69 70 (2000)

14 Esempio: Si Nanocrystal energy loss peak CVD: evimaging, ossidi ossidazione di superficie & plasmoni Si nanocrystals on SiO2 Energy filtered TEM in the ev range

15 Quantum Dot multi-junction PV cells x 10-4 Multi-junction QD cell Power (W/m 2 /ev) AM1.5G Red Green Blue Photon energy (ev)

16 Superlattices of SRO / SiO C 1150 C 1150 C + O 2 Blue shift as dot size decreases

17 Solare a concentrazione Solfocus Cal. USA (Spectrolab cells) Solar System Australia Soliant Pasadena USA

18 Solar energy: concentration PV technology with multi junction cells Most multi-junction PV cells are triple junction with III-V materials on Ge More recently multijunctions devices including a Silicon bottom cell have been realized (40.7 % demonstrated).

19 High efficiency multi junction in parallel with beam splitting Prof. G. Martinelli, Università di Ferrara

20 High efficiency concentration photovoltaic with spectrum splitting: working principle Si GaAs InGaP Example of the active cell array Concentration optics and dicroic filters Prof. G. Martinelli, Università di Ferrara, Activity Coordinator, CONSORZIO SUN to GRID, General Coord. STMicroelectronics, Progetti su Efficienza Energetica, ambito DL INDUSTRIA 2015, Ministero dello Sviluppo Economico

21 Conclusioni I sistemi fotovoltaici rappresentano un promettente approccio per ottenere energia pulita e a basso costo Necessario un salto tecnologico per renderli effettivamente economicamente competitivi Pannelli a film sottile Si-based e strutture multigiunzione in sistemi a concentrazione sono tra le opzioni più promettenti

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