Sensor and Semiconductor Laboratory

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2 Sensor and Semiconductor Laboratory Responsabile: Giuliano Martinelli Maria Cristina Carotta, Vincenzo Guidi, Cesare Malagù, Michele Benetti, Alessio Giberti, Maria Angela Butturi, Marco Nagliati, Andrea Antonini, Marco Stefancich, Beatrice Vendemiati, Marco Piga, Sandro Gherardi, Mirco Blo, Paolo Zurro, Alex Zanni, Elena Ferrari, Moira Buzzolani, Ergisto Angeli, Luciano Milano, Andrea Magnani Dipartimento di Fisica Universita` di Ferrara Via Saragat, 1/C Side B, Room FERRARA tel

3 Technology Reattori atmosferici per drogaggio ed ossidazione dei wafer di silicio Reattore LPCVD per ossidazione e nitrurazione di wafer di silicio PVD da sorgenti termiche ed e-gun Linea di fotolitografia Wet benches Plasma etcher Probe station Ellissometro Serigrafia Forni UV, IR e a muffola

4 Consumo di energia elettrica in Italia 2007 (source: Energy autority, 2008) MWh

5 Il 10% sono 33 milioni di MWh/anno Con 1MW si ottengono 1000 MWh/anno Quindi bisogna installare MW=33GW Siccome per 1MW servono 10Ton di feedstock Per MW occorrono Ton contro una produzione mondiale di 57000Ton 600 kwh/kg quindi introdotte in atmosfera 600 kg di CO2/kg di feedstock

6 Quarzite (SiO 2 ) 18 kg IL SILICIO Fornace ad arco SiO 2 +2C Si+2CO 2 Reazione con H 2 (1200 C) HSiCl 3 + H 2 Si + 3HCl Distillazione ( C) HSiCl 3 Feedstock HSiCl 3 HSiCl 3 HCl

7 Crescita Czochralski (1400 C) Lingotti monocristallini (fino a 8 ) 8 Tagli, Lappatura, Lucidatura Wafers (1 kg)

8 Silicio monocristallino Silicio policristallino

9 Consumo medio di petrolio pro capite (in Italia): 3 ton 25 barili Costo: 90 miliardi di all anno (supponendo 100 $/barile) La dipendenza da paesi stranieri e la stessa aleatorietà del costo al barile sono fattori estremamente negativi per la nostra economia. Se si realizzasse il 10% del fabbisogno nazionale si avrebbe un risparmio di 9 miliardi di euro all anno anno solo sull acquisto del petrolio.

10 Energia da distrubuire ed energia portatile

11 Greggio 3000 l/persona/anno Idroelettrico Gas naturale 1500 Perdite e altri impieghi Perdite e altri impiegh trasporti industria Residen ziale commerci ale 90 miliardi di m 3 anno di GN per risc 360 milioni di MWh/anno

12 Dei 3000 litri di petrolio per persona si vede dal diagramma precedente che circa 1/9 viene impiegato per usi domestici: cioè 333 litri per cittadino 1 litro di combustibile = 4kWh elettrici Moltiplicando per i 60 milioni di abitanti 80 milioni di Mwh all anno che sarebbero circa 15 kwh/giorno per 15 milioni di famiglie

13 Consideriamo una città il cui nucleo cittadino consista di 100mila abitanti. Cioè 25mila famiglie. Ricordiamo 15kWh al giorno per famiglia. Pertanto il consumo di 25mila famiglie è di 137mila MWh/anno. Se consideriamo che un kw installato produce in un anno circa 1500 kwh Si trova che con 90 MW installati si può soddisfare il fabbisogno dell intera città Per 90 MW sono necessari circa 100 ettari=1km 2

14 Esempi di concentrazione FOCUS DISH

15 Fotovoltaico per concentrazione Concentratore sviluppato ai Sandia Natianal Laboratories nei tardo anni 70. Questo sistema sfruttava lenti a punto focale di Fresnel su celle di silicio e due strutture di assi di inseguimento. Il raffreddamento era fornito da acqua fredda circolante nel portacella. Le lenti di Fresnel erano costruite con materiale acrilico

16 Sistemi fotovoltaici a concentrazione Amonix, Tempe, AZ Solfocus, Mountain View, CA UC Merced, Merced CA Concentrix Solar GmbH

17 Fotovoltaico per concentrazione Piatto parabolico con una concentrazione di 500X, da Solar System

18 Tracking

19 C Power - spin off di UNIFE

20 Guasco Solar (Spectrolab) (Spectrolab) Isofoton-ES Isfoc-ES (Fraunhofer) (Dishes) EMCORE Corp.

21 Multi-giunzione in serie

22 Inserire slide con vantaggi separazione spettrale vs. multigiunzione

23 I VANTAGGI DELLA SEPARAZIONE SPETTRALE 1) La concentrazione solare permette di ridurre sensibilmente l area del semiconduttore (ridurre i costi del sistema) 2) L inseguimento solare elimina il fattore coseno garantendo un aumento della resa energetica del 25-30% 3) La separazione spettrale della radiazione solare tramite specchi dicroici abbinato all utilizzo di più celle di conversione fotovoltaica garantiscono un elevato aumento dell efficienza di conversione

24 I VANTAGGI DELLA SEPARAZIONE SPETTRALE I sistemi a concentrazione e separazione spettrale rappresentano una semplificazione tecnologica rispetto all approccio a multigiunzione. In particolare, i sistemi a concentrazione e separazione spettrale permettono di: 1) RIDURRE SENSIBILMENTE I FENOMENI DI SURRISCALDAMENTO DI CELLA (il sistema di separazione spettrale distribuisce l energia su un area maggiore e migliora la dissipazione termica) 2) ELIMINARE GLI SVANTAGGI DOVUTI ALL ABERRAZIONE CROMATICA 3) AVERE FATTORI DI CONCENTRAZIONE DIFFERENTI SULLE DIVERSE CELLE FOTOVOLTAICHE

25 GIUNZIONE SINGOLA MULTIGIUNZIONE IN SERIE MULTIGIUNZIONE IN PARALLELO CON SEPARAZIONE DEL FASCIO

26 Primo prototipo di sistema a concentrazione fotovoltaica presso l Università di Ferrara A sinistra sono visibili i quattro specchi parabolici su cui sono posizionati i filtri dicroici per la separazione spettrale della luce solare. A destra si notano le due celle su cui viene indirizzata la luce con diverso contenuto spettrale: le celle al silicio ricevono la componete infrarossa dello spettro, mentre le celle all InGaP ricevono la componente ultravioletta dello spettro.

27 I componenti del sistema SISTEMI FOTOVOLTAICI A CONCENTRAZIONE E SEPARAZIONE SPETTRALE SCHEMA A BLOCCHI Concentratore ottico Sistema di separazione spettrale Celle InGaP Celle al silicio Sistema di inseguimento

28 Prima ingegnerizzazione del sistema a concentrazione fotovoltaica Sistema progettato e realizzato presso l Università di Ferrara con la collaborazione dell Università di Trento

29 Realizzazione di specchi dicroici per la separazione spettrale della luce 1 µm (0.001 mm) Substrato di vetro SPECCHIO DICROICO COMPONENTE RIFLESSA (BLU) PINZETTA DI SOSTEGNO COMPONENTE COMPONENTE RIFLESSA TRASMESSA (ROSSA)

30 Sistema di Array

31 Supporti virtuali-lepecvd reactor Heater Substrate SiH 4, GeH 4, PH 3 inlet Auxiliary anode Plasma focusing coils Ar inlet Plasma source

32 Reattore LEPECVD (Unife( e Dichroic Cell) Reattore che permette di effettuare la deposizione epitassiale di Ge su Si Elevato rateo di crescita Controllo della difettività superficiale

33 E stata realizzata presso UNIFE una camera pulita in grado di ospitare l apparecchiatura necessaria alla realizzazione di celle fotovoltaiche III-V

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36 CONCLUSIONI Riteniamo che per ottenere quantitativi di energia elettrica significativi (10%del fabbisogno nazionale) debbano essere verificate le seguenti condizioni: 1) Disponibilità senza limite di materiale di base 2) Efficienze molto elevate (>30%) 3) Costi competitivi per eliminare rapidamente la dipendenza dagli incentivi 4) Intervento delle istituzioni per l organizzazione e la gestione di un contributo energetico così importante; in assenza di questo, opereranno le leggi del libero mercato.