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1 due mondi sempre più vicini Il mondo del fotovoltaico è stato fino ad oggi dominato dal silicio. Tuttavia, una grossa potenzialità di riduzione dei costi del FV risiede in quella che viene definita la seconda generazione del fotovoltaico: le tecnologie a film sottile. La grossa potenzialità di riduzione dei costi dei film sottili risiede nella possibilità di risparmiare sulla quantità del materiale semiconduttore impiegato e nell alto grado di automazione che le linee di produzione di questi moduli raggiungono. In entrambi i casi le tecnologie del vetro danno un importante apporto. ALESSANDRO VIRTUANI* 40 PV TECHNOLOGY 1/2007

2 GLASS AND PHOTOVOLTAICS TWO WORLDS MOVING NEARER The world of solar power (photovoltaic, PV) has, until now, been dominated by silicon (Si). The technology for its production has already been entirely developed by the micro-electronic industry. This heavy dependence of the semi-conductor industry, together with the expansion of photovoltaics worldwide, has caused its present availability to be less than in previous years. What are the solutions to the problem of supply? An important contribution in PV cost reduction can be found in the so-called second generation photovoltaics: thin film technologies. Photovoltaic thin film technologies (a-si, a-si/µ-si, CIS, CdTe) have, essentially, two advantages compared to traditional wafer-based technologies (silicon, gallium arsenide, etc.). The first is the possibility of creating extremely thin devices of active material. The second is represented by the fact that said technology enables to reduce processing phases, forming and integrating cells among each other during a single process on a single substrate (usually glass). Photovoltaic thin film technologies that are now ready for industrial production are mainly those of amorphous silicon (a-si), hybrids of amorphous and micro-crystalline silicon (a-si/µ-si), indium di-selenium and copper (CIS), and cadmium tellurium (CdTe). There are, therefore, different semiconductor materials and numerous processes for the deposition of these materials. However, the structure of a cell or a module is very similar independent from the technology used to create it. The typical structure of a thin film cell is made up of a substrate, generally glass, on which the following are deposited: 1) a metallic contact, 2) absorber material, 3) a buffer layer, 4) a transparent contact, usually TCO (transparent conductive oxide). The total thickness of the final device realized on glass is usually few microns (generally 2-5 µm) (see box on page 54). Moreover, more cells can be realized on a substrate during a single process. The cells are first formed by removing, mechanically or by means of a laser, a part of the materials previously deposited and then connected in series by the TCO layer. It is, in any case, difficult at present to foresee which thin film technology has more chance to penetrate the photovoltaic market, dominated by the wafer-based technology of crystalline silicon, and to establish itself in the medium- to long-term (10-20 years). All this depends on the capability of these new technologies to effectively become a part of everyday reality, made up of modest production volumes, if not pilot production, and to adapt to the scale of economics with production in the order of tens or hundreds of MWp per year. I FIG. 1: Modulo fotovoltaico in silicio amorfo: ogni striscia corrisponde a una cella solare elettricamente collegata alle celle adiacenti. L aspetto generalmente uniforme dei dispositivi a film sottile li rende particolarmente apprezzati per l integrazione architettonica negli edifici. l mondo del solare elettrico (fotovoltaico, FV) è stato fino ad oggi dominato dal silicio (Si). La ragione principale, oltre alla sua abbondanza nella crosta terrestre e alla sua non tossicità, fattore che ne facilita la lavorazione, è che la tecnologia del Si è già stata interamente sviluppata dall industria microelettronica. Un wafer di silicio (mono o multicristallino), ottenuto con gli scarti dell industria elettronica, costituisce infatti il cuore di oltre il 90 % dei moduli fotovoltaici venduti oggigiorno. Questa forte dipendenza dall industria dei semiconduttori, insieme alla forte espansione del fotovoltaico a livello mondiale, ha fatto sì che la disponibilità di silicio sia oggi inferiore rispetto agli anni scorsi. Dopo un lungo periodo in cui il prezzo dell energia fotovoltaica si è progressivamente ridotto, negli ultimi tempi si è verificato un temporaneo rialzo del prezzo della materia prima che si riflette sul prezzo finale dei dispositivi FV. Al fine di evitare un ulteriore rialzo del prezzo, è quindi importante trovare nuove soluzioni in grado di rivoluzionare le tecniche di produzione dei wafer di Si. Tabella 1 Wafer-based d ~ 0.3 mm c-si I vantaggi del FV a film sottile Una grossa potenzialità di riduzione dei costi del FV, risiede in quella che viene definita la seconda generazione del fotovoltaico: le tecnologie a film sottile. Le tecnologie fotovoltaiche a film sottile (a-si, a-si/µ-si, CIS, CdTe) presentano essenzialmente due vantaggi rispetto alla tradizionale tecnologia wafer-based (silicio, arseniuro di gallio, etc.). Il primo è la possibilità di realizzare dispositivi con spessori estremamente sottili di materiale attivo, tipicamente un paio di µm (un µm è un millesimo di millimetro) di materiale assorbitore, rispetto agli spessori di µm di un wafer di silicio. Ciò permette di risparmiare notevolmente sulla quantità di materiale impiegato e quindi potenzialmente di ridurre il costo finale del dispositivo. L altro grosso vantaggio è rappresentato dal fatto che tale tecnologia consente di ridurre le fasi di lavorazione, realizzando ed integrando tra loro più celle durante un unico processo su di un unico substrato (tipicamente vetro). Ciò permette di evitare i costosi processi di assemblaggio mecca- Film sottili d ~ mm a-si, CIS, CdTe Costi (modulo) oggi ~ 4-5 E./W p (a) oggi ~ E./W p 10 anni ~ E./W p (b) 10 anni ~ 1 E./W p (a) Energy pay-back time 3-8 anni 1-3 anni Efficienza oggi ~ % oggi ~ 5-11 % 10 anni ~13-19 % 10 anni ~ 7-13 % Produzione di massa: (a) ~ MW p / anno; (b) MW p / anno Confronto tra i costi, energy pay-back time, ed efficienze attuali e in previsione a medio termine (10 anni) delle tecnologia convenzionale (c-si) e delle principali tecnologie a film sottile (a-si, CIS, CdTe) oggi presenti sul mercato. PV TECHNOLOGY 1/

3 produzioni di almeno alcune decine di MWp all anno, un obiettivo che potrebbe venire raggiunto nell arco dei prossimi 5-10 anni. Un confronto tra la tecnologia convenzionale (Si cristallino) e la potenzialità delle principali tecnologie a film sottile nel loro insieme è presentato in Tabella 1 (v. pag. 53), dove vengono paragonati i costi, l energy pay-back time,e le efficienze di conversione attuali e in previsione a medio termine (~10 anni) di tali tecnologie. FIG. 2: Tipica struttura a substrato di una cella fotovoltaica a film sottile. Indipendentemente dalla tecnologia utilizzata (a-si, CIS, CdTe, etc. ), il substrato è costituito generalmente una lastra di vetro dello spessore di 3-4 mm sul quale vengono depositati in successione i vari strati semiconduttori costituenti la cella. Lo spessore complessivo del dispositivo finale realizzato sul vetro è di pochi micron (generalmente 2-5 µm). nico ed elettrico delle celle in un modulo, tipici della tecnologia basata sui wafer. Nell ottica di una produzione su scala industriale, tale tecnologia si presta quindi ad un elevato grado di automazione con un conseguente risparmio dell intero processo di produzione. Inoltre tali dispositivi vengono realizzati su substrati a basso costo (tipicamente vetro, ma anche fogli di plastica e metallo) e hanno un più rapido tempo di restituzione dell energia utilizzata per la loro produzione (energy pay-back time) rispetto al Si. Per poterne effettivamente ridurre il prezzo, è però necessario che tali tecnologie beneficino di una economia di scala con Celle e moduli a film sottile Le tecnologie fotovoltaiche a film sottile ormai mature a livello di produzione industriale sono principalmente quelle del silicio amorfo (a-si), le giunzioni ibride tra silicio amorfo e microcristallino (a-si/µ-si), il diseleniuro di indio e rame (CIS), e il telluriuro di cadmio (CdTe). Esistono quindi differenti materiali semiconduttori e numerosi processi di deposizione di questi materiali, tuttavia la struttura di una cella o un modulo a film sottile è molto simile indipendentemente dalla tecnologia utilizzata. Esempio di integrazione architettonica di moduli di Cigs in una chiesa: la Friedenskirche a Tuebingen, in Germania.

4 FIG. 3: Struttura di una cella solare di CIS e connessione in serie di due celle adiacenti in un modulo. Un pannello solare realizzato con la tecnologia a film sottile dall industria tedesca Würth Solar. La tipica struttura di una cella a film sottile è composta da un substrato, generalmente del vetro sul quale vengono depositati in successione, nel caso di una struttura a substrato: 1) un contatto posteriore metallico, 2) il materiale assorbitore, 3) uno strato buffer, 4) un contatto superiore trasparente, generalmente un ossido trasparente e conduttivo TCO (transparent conductive oxide). Lo spessore complessivo del dispositivo finale realizzato sul vetro e di pochi micron (generalmente 2-5 µm) (v. riquadro nella pagina a fianco). Inoltre, durante un unico processo possono essere realizzate più celle sullo stesso substrato. Le celle vengono prima disegnate rimuovendo meccanicamente o mediante un laser parte dei materiali precedentemente depositati e poi collegate in serie dallo strato di TCO. Tale processo, che prende il nome di integrazione monolitica delle celle, si presta ad un elevato grado di automazione nell ottica di un produzione industriale (nel riquadro in alto è mostrata la tipica stuttura di una cella solare di CIS e la connessione in serie di due celle adiacenti in un modulo). Un aspetto notevolmente interessante di questo metodo è la possibilità di sviluppare sinergie tra le aziende produttrici di vetro e le aziende produttrici di macchinari per la deposizione su larga scala di strati semiconduttori. Questo genere di macchinari è stato in alcuni casi già ampiamente sviluppato, per esempio nel caso del silicio amorfo per la fabbricazione di schermi piatti, un mercato attualmente in rapidissima espansione. Testimonianza di queste sinergie sono alcune recenti fusioni sul mercato europeo di aziende produttrici di vetro e aziende attive nell ambito del FV a film sottile. Quali tecnologie per il futuro dei film sottili? È più che legittimo domandarsi quale tra le principali tecnologie a film sottile abbia le maggiori opportunità di affermarsi nel medio e lungo periodo in un mercato che diventa sempre più competitivo e che continua e continuerà ancora per molto ad essere dominato dal silicio cristallino. Molto dipende dalle efficienze di conversione massime (stabili) raggiunte dalle prin- PV TECHNOLOGY 1/

5 FIG. 4: Efficienze di conversione massime (stabili) raggiunte dalle principali tecnologie FV a film sottile: a-si (tripla giunzione), a-si/µ-si, CdTe e CIS. Le efficienze sono espresse in funzione della dimensione del dispositivo (celle di piccole dimensioni, minimoduli e moduli provenienti da linee pilota). Le informazioni relative a moduli e minimoduli ibridi o micromorfi non sono espresse, in quanto è difficile recuperare informazioni relative a dispositivi stabilizzati. Che cos è il CIS/CIGS? Il CIS (diseleniuro di indio e rame) è un semiconduttore policristallino composto e viene spesso arricchito con del gallio (CIGS), che consente di aumentare l efficienza delle celle con esso realizzate. Una cella di CIS (o CIGS) viene realizzata (come descritto nella FIG. 3 a pag. 43) utilizzando come substrato del vetro (2-3 mm di spessore) su cui viene depositato un sottile strato di molibdeno (circa 0,5 µm), che costituisce il contatto posteriore. Successivamente viene depositato il materiale assorbitore (CIS o CIGS) con uno spessore di 2-3 µm. Il film assorbitore può venir depositato utilizzando diversi processi. Al momento, quello che dà i risultati più soddisfacenti è la coevaporazione in vuoto : si introduce il substrato dentro a una camera al cui interno viene realizzato il vuoto e si fanno evaporare contemporaneamente ciascuno dei materiali (rame, indio, selenio ed eventualmente gallio), che vanno poi a depositarsi su di esso. La giunzione, che costituisce la cella vera e propria, viene realizzata unendo al materiale assorbitore uno strato tampone o buffer di CdS (solfuro di cadmio, 0,05-0,07 µm di spessore), quasi interamente trasparente alla luce visibile e infrarossa. Infine, viene depositato l ultimo film di ZnO (ossido di zinco, circa 2 µm), materiale trasparente e buon conduttore, che costituisce il contatto frontale della cella. Durante un unico processo, possono venir realizzate più celle sullo stesso substrato. Le celle vengono prima disegnate rimuovendo meccanicamente o mediante un laser parte dei materiali precedentemente depositati. L integrazione delle celle è poi realizzata dallo strato di ZnO (ossido di zinco, 1 µm di spessore), che costituisce il contatto tra celle adiacenti. In questo modo il fronte di una cella è contattato direttamente al retro della cella adiacente. cipali tecnologie FV a film sottile: a-si (tripla giunzione), a-si/µ-si, CIS e CdTe (vedi il riquadro qui a sinistra). Le efficienze sono espresse in funzione della dimensione del dispositivo (celle di piccole dimensioni, minimoduli e moduli provenienti da linee pilota). Le informazioni relative a moduli e minimoduli ibridi o micromorfi non sono espresse, in quanto è difficile recuperare informazioni relative a dispositivi stabilizzati. Inoltre, si noti che le efficienze relative a moduli FV effettivamente presenti sul mercato corrispondono a valori in assoluto più bassi di circa l 1-3 %, se paragonati ai valori riportati nel riquadro. Da questi dati si conclude che generalmente le tecnologie del CIS e del CdTe hanno prestazioni maggiori sia in laboratorio che su scala industriale rispetto alle prestazioni stabilizzate dei dispositivi realizzati con gli altri materiali. Tuttavia la tecnologia del silicio amorfo nel suo complesso (singola, tripla giunzione e micromorfo) potrebbe risultare particolarmente promettente per il FV terrestre a basso costo. Nell ottica di una produzione di massa, i potenziali vantaggi di questa tecnologia sulle altre tecnologie a film sottili sono costituiti principalmente dall abbandondanza della materia prima (il silicio) e dalla sua non tossicità, e dalla possibilità di utilizzare processi di fabbricazione a temperature generalmente più basse, con un conseguente consumo ridotto di energia per la produzione del dispositivo. Conclusioni È tuttavia difficile al momento fare delle previsioni affidabili su quale tra le principali tecnologie a film sottile ha maggiori opportunità di penetrare nel mercato del fotovoltaico, dominato dalla tecnologia wafer-based del silicio cristallino, e affermarsi nel medio e lungo periodo (10-20 anni). Il tutto dipende dalla capacità di queste nuove tecnologie di riuscire effettivamente a passare dalla realtà odierna, costituita da volumi di produzioni modesti, se non ancora in fase di produzione pilota, e ad adattarsi alle economie di scala con produzioni dell ordine di alcune decine o centinaia di MWp all anno. *ALESSANDRO VIRTUANI Istituto per l ambiente e la sostenibilità, Centro Comune di Ricerca Commisione Europea - Joint Research Centre (Ispra - Va) 44 PV TECHNOLOGY 1/2007

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