Presente e futuro del silicio nel fotovoltaico. S. Coffa, IMS R&D, STMicroelectronics

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1 Presente e futuro del silicio nel fotovoltaico S. Coffa, IMS R&D, STMicroelectronics Tecnologie, tecniche impiantistiche e mercato del fotovoltaico, Padova, 21 Gennaio 2010

2 Sommario Energia: problemi ed opportunità La ST nel settore fotovoltaico: - conversione di potenza - materiali e tecnologie per celle solari di nuova generazione - JV per produzione pannelli solari Temi connessi: energia senza fili - energy scavenging e microbatterie Conclusioni: il polo fotovoltaico di Catania 2

3 Consumo di energia elettrica nel mondo Risparmio introdotto dall utilizzo di componenti elettronici Consumo energia in TWh Senza risparmio energetico Energie rinnovabile: sole, vento,... Con risparmio energetico: - Motori elettrici - Illuminazione - Elettrodomestici -37% or 6300TWh TWh di risparmio nel consumo di energia elettrica nel 2020: equivalente a 360 centrali nucleari nel mondo! 3

4 Il contributo di ST nel settore della energia Energia Generazione Immagazzinamento Conversione 4

5 ST nel fotovoltaico Motivazioni Mercato in grande crescita: 2.2 GWp nel 2007, crescita a 11GWp in 2012 E possibile usare le sinergie con alcune nostre attività (processi basati su film sottile, elettronica su plastica, nanostrutture, integrazione eterogenea) e la leadership di ST nel campo dei dispositivi di potenza Mercato in crescita per i circuiti integrati di potenza usati nei pannelli e nei campi fotovoltaici 5

6 IMS: una vasta gamma di prodotti Power Analog IMS Microcontrollers Smart Cards and Standard Memories MEMS&Healthcare 6

7 IMS R&D: esperienza su substrati convenzionali e non convenzionali, nuovi materiali e attrezzature Substrati (2-8 pollici, Gen2, fette e pannelli) Si SiC GaN, plastic, glass Ceramics Materiali e tecnologie a film sottile Si Polymers/organic materials High K Ferroelectrics Gan heteroepitaxy SiC epitaxy DNA, Proteins, enzyme Attrezzature abilitanti Low temperature PVD Low temperature PECVD Soft lithography E-beam litography Ink jet printers 7

8 Energia solare a varie latitudini e longitudini L area mediterranea della Europa è uno dei posti migliori per le attività solari In un anno l energia solare incidente è KWh/m2 nel sud Europa e circa kwh/m2 in nord Europa Sorgente: European Communities - PVGIS 8

9 ST: Attività sul fotovoltaico ST sviluppa soluzioni per ottenere la massima energia dai pannelli solari DC / DC Converter DC / AC Converter PV Panel MPPT Battery pack Optional MCU Anti islanding Pw L Modem Meter AC grid Boost converter with built-in MPPT control 9

10 Come ridurre il costo della energia generata? a) Per una specifica tecnologia dei pannelli Estrarre la massima energia dal campo fotovoltaico SPV1020: Solar Energy Booster BOOST + MPPT BOOST + MPPT ST distributed architecture BOOST + MPPT Junction box PV array Standard PV Panel Load DC/DC converter DC/AC converter Anti islanding Inverter Meter AC grid MPPT inverter anti-isl. control control control Inverter basic architecture 10

11 Evoluzione di SPV1020 Identificazione del pannello; Shut down locale per manutenzione; Diagnostica del pannello (temperatura, tensione, ); Misura della potenza erogata; Codice antifurto BOOST + MPPT SPI port ZigBee/IEEE Characteristics: Dual PHY (2.4GHz and 868/915 MHz) Data rates of 250 kbps (@2.4 GHz), 40 kbps (@ 915 MHz), and 20 kbps (@868 MHz) Optimized for low power applications (battery life multi-month to years) Multiple topologies: star, peer-to-peer, mesh Range: 50m typical (5-500m based on environment) 11

12 Come ridurre il costo della energia generata? b) Migliorare la tecnologia dei pannelli per : Aumentare la efficienza Ridurre i costi Lens cell Costo/m2 basso Film sottili su vetro (grande area) Building Integrated PV (BIPV) Film sottili su fogli plastici PV a concentrazione Film sottili Si-based : 12% in % in

13 Attività R&D di ST su fotovoltaico Celle solari a film sottili e nanostrutturato Cella a-si:h, tandem e con film nanostrutturati Linea pilota GEN2 (40x50 cm 2 ) presso ST Catania Utilizzo delle competenze di fotonica e nanostruttura esistente a Catania (ST, CNR, Università) Tecnologia per PV a concentrazione Progettazione e fabricazione di celle solari in in Si, GaAs and InGaP Utilizzo linea pilota 6 pollici e sinergia con semiconduttori composti per la potenza Progettazione di sistemi ottici per concentrazione solare e separazione spettrale Celle solari su substrati flessibili Sistemi flessibili e conformabili anche per energy scavenging Un team di 20 persone Collaborazioni con varie istituzioni:uni CT, Uni FE, CNR- IMM, CEA-Liten, etc. 13

14 Celle di nuova generazione 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

15 Competenze esistenti su fotonica e nanostrutture Light emission from Er doped SQDOTs SQDOTs SiO 2 Green light emission in 2001 SQDOTs FLASH Memories at CNR (National Research Council) 15

16 Il punto di partenza: celle amorfe e micromorfe su vetro Ottimizzazione del processo di deposizione R= 2; T=250 0 C R= 3; T=280 0 C; Optimized purge Su celle di qualche cm2: -pin a-si:h: 6% -Micromorfa (a-si:h+µcr): 9% Su pannello GEN2: a-si:h 4.5% stabilizzato Micromorfa (running) 16

17 Modulo film sottile su vetro Sputtering (TCO, Al) PECVD: a-si:h, microcristallino Laser scribing 17

18 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)

19 Breakdown of the k-conservation Rule in Si Nanocrystals NP / PA(TA) NP / PA(TO), in SiO2 NP / PA(TO) D. Kovalev, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 81 (1998) 19

20 Celle fotovoltaiche multigiunzione nanostrutturate x 10-4 Multi-junction QD cell Power (W/m 2 /ev) AM1.5G Red Green Blue Photon energy (ev) 20

21 Coefficiente di assorbimento Absorption coefficient (cm -1 ) Si XTL Si (>5nm) nxtl-si (3nm) nxtl-si (2nm) Kirchartz et al.(2009) 1-2nm nxtl-si (1.5nm) a-si Wavelength (m) x

22 Assorbimento e trasporto Light Dark Perfect ARC, no light trapping, same lifetime, "THICK" Oxides 22

23 Deposizione di multistrati nanostrutturati 23

24 Celle solari a nano-fili CVD-grown silicon nanowires Radial pn junction light Kayes, J. Appl. Phys. (2005) Kelzenberg, IEEE PV Specialist Conf. (2008) Low-cost substrate Base Crescita CVD di nanofili su substrati a basso costo Giunzione pn radiale Emitter 24

25 Prestazioni delle celle in Si per CPV Power Conversion Efficiency (%) SUNs Efficiency - FZ-OX(286) EPI-OX(288) /04E1 DEV13 286/04E1 DEV /03G3 DEV13 288/03G3 DEV Irradiance (W/cm 2 ) 25

26 Sistemi ottici per CPV 1 asse 2 assi Separatore spettrale Integrato nel ricevitore 26

27 I tre volti della energia Grid-parity PV Smart grid Immagazzinamento energia Auto ibrida Auto elettrica Sistemi caricamento auto Batterie più efficienti Infrastutture/ domotica Mobilità Energia senza fili Interazione con ambiente Individuo 27

28 Esempio: energy harvesting per nodo sensoriale remoto Antenna RF Module Energy storage Batterie a film sottile: -spessore circa 200 um - alta affidabilità -Ricaricabile (con energia solare, termica, vibrazioni, etc.) ASIC Sensor Power management Energy harvesting µ solar cell µ thermoelectric generator 28

29 Fabricazione di dispositivi elettronici e fotonici su substrati plastici Batch approach Showing the concept: lamination/delamination of plastic foils on rigid substrates and standard clean room processing Tape lamination Protective pellicle cutting and removing Carrier Plastic lamination Plastic cutting Processing PEN bonded on carrier Devices on PEN after debonding 29

30 Processi roll to roll PEN thickness = 200µm Roll width = 230mm 30

31 Celle solari a-si:h su fogli flessibili 10 9 DATA Model 8 7 Efficiency (%) Sun 31

32 Il polo fotovoltaico di Catania ENEL, SHARP ed ST realizzeranno a Catania una fabbrica di pannelli a film sottile tripla giunzione La ST Microelectronics ha a Catania una forte attività di R&D con competenze su dispositivi di potenza, dispositivi analogici, nuovi materiali e tecniche di deposizione, energia, fotovoltaico. ENEL é presente con un Centro di Eccellenza sulla Energia Solare specializzato in caratterizzazioni outdoor and indoor (Affidabilità, resistenza ad agenti atmosferici, etc.) su celle e moduli fotovoltaici Sono presenti forti competenze in ambito universitario e nei laboratori di ricerca pubblici Questo polo è collegato alle migliori realtà nazionali ed internazionali Nomen-omen : l area in cui sorge questo polo si chiama PRIMOSOLE 32