Fotovoltaico a concentrazione basato sul silicio

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1 Fotovoltaico a concentrazione basato sul silicio Francesco Roca ENEA Unità Tecnica Tecnologie Portici Giornata di Studio su IL FUTURO DEL SILICIO NEL FOTOVOLTAICO 28 ottobre 2010 Sala Conferenze Luigi Stringa Via Sommarive, Povodi Trento 1

2 Sommario La competività tecnica-economica della tecnologia fotovoltaica Road map& sviluppi tecnologici. Priorità di ricerca del csi: shortage riduzione dei materiali e dei costi Vantaggi concentrazione fotovoltaica (C- PV) CellecSi vsiii-v Priorità di ricerca della C-PV

3 Energia Solare Una delle priorità delle prossime decadi è il sostegno dello sviluppo con fonti energetiche compatibili con le richieste di ridotto impatto ambientale. L Energia solare è una opzione realistica e promettente. Coprendo solo il 0,1% della superficie terrestre utile con collettori solari (tetti, strade, aree irrilevanti,etc) con collettori con eff.>20% è possibile soddisfare la richiesta mondiale annua di energia che ammontaa1,2x10^14kwh. L energia solare ha molti vantaggi: libera da ricarichi, distribuita, illimitata, benigna dal punto di vista ambientale I limiti dell energia solare rimangono: la sua bassa densità di potenza incidente (<1kW/m^2), l intermittenza e l aleatorietà (notte/giorno, cielo limpido) e la disparità nella distribuzione (fascia solare equatoriale)

4 Lo sviluppo dell energia solare

5 Creazione di nuovi posti di lavoro EPIA: Installed Capacity (MW) Capacité installée (MW) Nombre d'emplois Number of jobs Nuovi posti di lavoro ipotizzati in funzione degli impianti PV installati Capacité annuelle installée Emplois Number estimés of jobs

6 L evoluzione dei costi Source: Grid parity definitions and scenarios B2B Workshop Grid Parity two words, many different meanings Valencia- September 2, 2008 Winfried Hoffmann, Vice President EPIA

7 I costi dell elettricità per l utente finale 1,4 1,2 PV 10 $/W Electricity cost($/kwh) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 PV 5 $/W PV 2 $/W Nuove opportunità grazie ai progressi nello storage! 0 0, Daily load (kwh/day) Costi dell elettricità dell utente finale vs- distanza dalla rete Fonte ENEA

8 L elettricità PV & sviluppo sociale Il fotovoltaicofornisceoggi 0.1% dell energiaelettricaglobalemondiale. Entroil2030 il PV può fornire più del >10% dell energia elettrica globale. Una utenza > 60-70% della popolazione mondiale.

9 Come assicurare lo sviluppo della tecnologia? PV Road Maps Europee: The European Union s Strategic Energy Technology (SET) Plan Solar Europe Industry Initiative The European PV Technology Platform s Implementation Plan for Strategic Research Agenda 9

10 Come assicurare lo sviluppo della tecnologia? PV Road Maps Mondiali: IEA PV Road Map The Solar America Initiative (SAI) Japan s PV roadmap towards 2030 (PV2030) and the 2009 update PV2030+ China s solar energy development plans India s Solar Initiative Australia s Solar Flagship Initiative 10

11 PV R&D Roadmap : Topic comuni Aumentare gli sforzi di R&D per ridurre i costi (nella produzione dei materiali e per le tecniche realizzative dei dispositivi, le connessioni elettriche, l incapsulamento,etc) Supportare l implementazione della tecnologia esistente (short term) e per l innovazione (long term option) Espandere ed ottimizzare la collaborazione internazionale in R&D Fare un migliore uso delle risorse scientifiche, tecnologiche ed economiche nazionali/internazionali 11

12 Il motore per l attività di R& D Tecnology vs- market cycle

13 L evoluzione dei costi (moduli & BOS) (adapted from A Vision for Photovoltaics Technology Evolution of the turn-key System prices

14 La produzione mondiale MW ROW USA Europa Giappone Evoluzione della produzione mondiale di celle solari e moduli per area geografica Area 2006 vs vs vs vs 2008 Giappone +11,2% -0,3% +32,6% +22,8% Europa +42,3% +58,8% +78,4% +0,8% USA +16,3% +52,2% +52,0% +41,7,0% ROW (Cina, Taiwan, India, ecc.) +110,8% +113,1% +134,2% +97,3% Totale +37,9% +51,1% +86,9% +54,3%

15 Mercato mondiale varie tecnologie PV Si standard; 75% Si mono super; 6% CIGS/CIS; 2% CdTe; 10% Si am./microcr.; 8% Il silicio cristallino ad oggi domina il mercato del FV. I film sottili sono passati dal 13% nel 2008 al 20% nel 2009.

16 Breakdown tecnologico Nonostante qualche lieve flessione di crescita negli anni , legata soprattutto allo shortage del csi, la tecnologia del wafer csi ha dominato e soprattutto continuerà a dominare il mercato per i prossimi anni.

17 Previsione del mercato (short term) Annual PV Production capacities of Thin-Film and Crystalline Silicon based solar modules. data source J.A.Waldau.-PV Status Report Research, Research, Solar Cell Production and.-market Implementation of Photovoltaics analysis.-: 17

18 La disponibilità di silicio Sourece: Wacher 2 nd SoG-Si Workshop 18

19 Andamento del prezzo dei moduli Opportunities and Threats Fonte: DisplayBank Fonte: Maycock, Strategies Unlimited

20 Priorità di ricerca per i wafer di Si Fonte: A Strategic Research Agenda for Photovoltaic Solar Energy Technology.- PV Technology Platform

21 Priorità di ricerca per i wafer di Si (.. (..ctn) Fonte: A Strategic Research Agenda for Photovoltaic Solar Energy Technology.- PV Technology Platform

22 Evoluzione dell efficienza di conversione dei moduli commerciali Existing 1st and 2nd PV generation 3rd PV Generation and advanced concepts Source: IEA PVPS.

23 Perchè la concentrazione solare?

24 Uso crescente di chemicals&materiali: Riuscirà la 1a e la 2a generazione a sostenere il mercato?

25 Vantaggi della luce concentrata: Usare degli specchi, dei riflettori o delle lenti per concentrare la luce su una piccola area Aumenta la densità di potenza sul ricevitore Temperature più elevate (Applicazioni Termiche) Eff. di conversione η>>40% Correnti più elevate (Applicazioni Fotovoltaiche)

26 Applicazioni della luce concentrata : Produzione di elettricità mediante turbine o motori Stirling Sistemi fotovoltaici molto efficienti (>28% eff. del modulo) Produzione efficiente di idrogeno basandosi sull H 2 O Altre prestazioni per la disinfettazione solare dell acqua (Solar water disinfection-sodis) e desalinizzazione Applicazioni domestiche (cottura solare, fornaci solari)

27 La concentrazione fotovoltaica: Da un singolo wafer da 6 si producono 2-4 watts Concentrazione solar cells ~ W in dipendenza della efficienza di celle e dal fattore di concentrazione Più elevata ed uniforme generazione di energia durante il giorno e nel corso dell anno

28 La concentrazione fotovoltaica: Sistema a Concentrazione Phocus- ENEA Lente Cella e dissipatore CARATTERISTICHE Alte efficienze per le celle (25-40%) e per i moduli (20-30%) Ridotto quantitativo di materiale pregiato e costoso, grazie alla luce concentrata con ottiche rifrattive-riflessive di basso costo. Più uniforme fotogenerazione durante il giorno (il sole viene inseguito) Si distingue in: da 3 X a 50 X (bassa concentrazione) da 50 X a 250X (media concentrazione) da 250 X a 1000 X (alta concentrazione) Attualmente, scarso mercato Maggiore complessità del modulo/ ricevitore e del sistema di sostegno- puntamento. E adeguatamente sensibile alla sola luce solare diretta (perdite ottiche). Scarsa possibilità per l integrazione negli edifici (si stanno sviluppando anche sistemi compatti) Elevata manutenzione?

29 La concentrazione fotovoltaica: Catalogazione schematica dei sistemi CPV

30 Sistemi a concentrazione CP-V:

31 Sistemi a concentrazione Point Focus: Nevada Power Company-AMONIX ES System,Corea/EMCORE,USA ENEA Portici ENEA PhoCUS, Italy CONCENTRIX, Gmbh

32 Sistemi a concentrazione Point Focus: PhocusENEA Portici Pirelli Solar Initiatives Moduli con celle csie celle III-V Moduli con Celle III-V

33 Riduzione della resistenza serie Nelle applicazioni a concentrazione la densità di corrente è proporzionata al fattore di concentrazione Nelle celle più convenzionali (two side contacted) la resistenza serie viene ridotta grazie a: Emitter più drogati Adozione di griglie frontali di raccolta di bassa resistività (uso di Ag) e finger di alto spessore Scelta di wafer con maggiore drogante garantendo comunque alta qualità (bassa ricombinazione) Bassa resistenza di contatto semiconduttore/griglia e/o contatti di raccolta mediante l intenso drogaggio della zona sottostante i contatti Utilizzo di architetture innovative per realizzare i finger e per la raccolta cariche (es. celle back contact)

34 L efficienza diminuisce con la temperatura Cella csi back contact Calla MJ III-V

35 Attività Enea sui materiali e dispositivi PV Crystalline and multi silicon solar cells Thin film material (µc-silicon) Amorphous- csi silicon Heterojunction Trasparent conductive Oxide Organic TCO Antireflective and selective optical coating New approaches (QD, OPV) Concentrator silicon solar cells, PV-C Module and PV-C Systems 35

36 Celle csi per la concentrazione: la cella Enea R C A c le a n in g P O C l 3 d iffu s io n T h e r m a l o x id a tio n A l e v a p o r a tio n r e a r s u rfa c e A l a n n e a lin g T o p c o n ta c t d e lin e a tio n (p h o to lit h o g ra p h y ) + T i/p d / A g e v a p o r a ti o n + L i ft o f f R e a r c o n ta c t e v a p o r a tio n A g A g a n n e a lin g D e v ic e d e lin e a ti o n ( p h o to lith o g r a p h y ) + m e s a e tc h in g D A R C e v a p o r a ti o n D A R C a n n e a lin g 36

37 Celle csi per la concentrazione: cella Enea suns 6 Current (A) 5 98 suns suns 2 22 suns 1 1 sun Voltage (V) External quantum efficiency without DARC with DARC c-si without DARC c-si with DARC Reflectance (%) Wavelength (nm) 37

38 Celle di csi disponibili sul mercato per il PV-C Celle burried contact (BCSC) Narec, UK 38

39 Altre celle csi per il PV-C Celle csi back Point contact 39

40 Altre celle csi per il PV-C Celle con griglie di raccolta speciali : UPM Madrid 40

41 PV-C Valutazione economica: R.King, Global Climate&Energy Project Solar Energy Workshop Stanford University- Oct 18-19,2004

42 Limiti di conversione (SJ):

43 Dispositivi MJ Migliore risposta quantica : GaInP GaInAs Ge GaInP (1,9 ev) GaInAs(1,4 ev) Ge (0,7 ev) Ga 0.49 In 0.51 P (1.9 ev), Ga 0.99 In 0.01 As (1.4 ev) and Ge (0.7 ev).

44 Minore competività del csi nella media ed alta concentrazione

45 Applicazioni di celle per la PV-C: 1X 10X 100X 1000X Si Commercial Cells Advanced Si Commercial Cells High Efficiency csi Solar Cells MicroCells /III-V Multijunction SC III-V Multjunction Solar cells

46 Applicazioni delle celle csi per la PV-C: Bassa Concentrazione TRAXLE TM SOLAR CONCENTRATORS

47 Applicazioni delle celle csi per la PV-C: Bassa Concentrazione Low-Concentration Flat-Plate Module (JX Crystals, Inc.- USA) 3-sun mirror module design that cut standard SunPower A300 cells into thirds. Add aluminum sheet heat spreader to back of standard flatplate laminant. Add linear mirror array at front of panel.

48 Applicazioni delle celle csi per la PV-C: Splitting della radiazione Progetto DARPA Very High Efficiency Solar Cells

49 Sensor and Semiconductor Laboratory UniversityofFerrara Specchi dicroici III-V SJ/DJ csisj Two Faceted Shells stacked eachon the otherare designedtogenerate two spatially separated chromatic illuminated areas Founder Prof. Giuliano Martinelli.- died 2010

50 PV Tecn platform: road map celle PV-C Concentration cell

51 Evoluzione tecnologia, produzione, prezzi CP-V Evoluzione eff-vs- tecnologia Produzione ed evoluzione dei prezzi

52 Percorso per la competività CELLE Materiali Design dispositivo Efficienza Spettrale Coating AR Minacce Disponibilità di Ge per le celle III-V No Imaging Rifrattive OTTICHE Riflessive MERCATO Incentivi di mercato Applicazioni Standard Sistemi PV-C ad alta prestazione IMPIANTI DI GROSSA TAGLIA BIPV? APPLICAZIONI SPECIALI? Ricevitore & taglia di sistema Montaggi ed interconessioni Cooling attivo vs- passivo Reliability Degrado Ripreso da McConnell, NREL, USA 20th EPVSEC.-1AP con opportune modifiche Celle & integrazione dei sistemi

53 Conclusioni L Energia solare è una opzione realistica e promettente, E richiesta una ragionata e qualificata politica di investimento e di sostegno della domanda nelle fasi preliminari e di sostegno della ricerca per l industria. Va promossa una politica perla strategia ed ilcoordinamento per le attività di R&D di lungo termine Il fotovoltaico a concentrazione rappresenta una delle opzioni promettenti della tecnologia PV (alta efficienza, riduzione delle materie prime pregiate: semiconduttori, metalli, etc) Anche la tecnologia consolidata del silicio per il fotovoltaico piano può trarre notevoli benefici dagli sviluppi tecnologici del Si per il PV- C(bassa concentrazione ed applicazioni di light splitting). Substrati virtuali Si-Ge per contrastare la scarsità ed il costo del Ge?

54 Grazie per l attenzione! Dr. Francesco Roca UTTP Enea Portici Technical Unit franco.roca@enea.it Tel: Fax: ENEA Portici