VERIFICA A LUCE NATURALE DEI DATI DI TARGA DEI MODULI FV DI VARIE TECNOLOGIE

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1 POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Ingegneria Elettrica VERIFICA A LUCE NATURALE DEI DATI DI TARGA DEI MODULI FV DI VARIE TECNOLOGIE Paolo Di Leo paolo.dileo@polito.it Filippo SPERTINO filippo.spertino@polito.it

2 La valutazione dell energia prodotta Tecnologia del p-si Tecnologia del m-si Tecnologie dei film sottili Sistema Automatico di Acquisizione Dati Circuito di misura Procedura sperimentale Risultati sperimentali

3 Tecnologie del p-si La tecnologia "block casting per il lingotto poli-cristallino: il silicio, fuso con l energia elettrica, è versato in un crogiolo di grafite, poi si effettua un raffreddamento controllato con cristallizzazione direzionale; i cristalli di Si sono allineati verticalmente alla superficie; nel crogiolo solidificano 244 kg di silicio, con un consumo energetico di kwh/kg; con un taglio, si ricavano lingotti a forma di parallelepipedo, con base quadrata di lato 15,6 cm

4 Tecnologie del p-si i lingotti sono tagliati in fette con seghe multi-filo diamantato, ottenendo wafer di spessore 0,2-0,3 mm; purtroppo, il 30-50% del materiale è rimosso come sfrido; il materiale ha già un drogaggio a base di boro (tipo P); sul wafer levigato e ripulito viene creata la giunzione, mediante diffusione gassosa di composti a base di fosforo ( C), ottenendo il drogaggio di tipo N (strato dell'ordine del micrometro);

5 Tecnologie del p-si lo strato antiriflesso di nitruro di silicio o di ossido di titanio, depositato sulla superficie, consente di ridurre le perdite per riflessione; sulla faccia anteriore esposta alla luce si depone un elettrodo a griglia con una serigrafia ("screen printing" con lega di Al-Ag), in modo da ottenere un intimo contatto con lo strato drogato N, mentre sulla faccia posteriore si depone un elettrodo a placca in lega di Al In un anno, con 1 kg di silicio trasformato in moduli FV, si producono oltre 200 kwh di energia elettrica

6 Tecnologie del p-si Sequenza tradizionale dal SG-Si alla cella:

7 Tecnologie non convenzionali: Tecnologie del p-si string ribbon per avere direttamente il wafer senza il taglio del lingotto: due cavi ad alta temperatura vengono fatti scorrere verticalmente attraverso una sottile superficie di silicio fuso. Il silicio fuso si fissa tra i due cavi e si solidifica formando una stringa. Il contenitore col silicio fuso man mano che si svuota viene continuamente riempito. Edge defined Film Growth (EFG) che consiste nell'estrarre e raffreddare, attraverso una sottile fessura ottagonale, il silicio fuso (simile ad una trafilatura): si ottiene un cilindro cavo, dal quale si estraggono 8 file di celle con taglio laser

8 Tecnologie del m-si Nella tecnologia mono-cristallina si possono distinguere due tecnologie innovative, oltre a quella convenzionale: con l etero-giunzione di Si monocristallino / Si amorfo (moduli con rendimento del 16-17%); con entrambi i contatti collocati nella faccia inferiore della cella all back surface contacts (moduli con rendimento del 18-19%).

9 Tecnologie dei film sottili Caratteristiche comuni a tutte le tecnologie thin film (qualche μm): temperature di lavorazione minori ( C); connessione delle celle contemporaneamente alla loro fabbricazione (connessione integrata o monolitica tra i vetri che incapsulano il modulo); correnti ridotte 1-3 A, rendimenti 5-11%; bassi coefficienti termici di perdita (-0,2-0,3%/ C) vetro TCO CdS CuInSe 2 contatto vetro vetro TCO CdS CdTe contatto vetro vetro TCO (ZnO) p i n p i n TCO riflettore vetro a-si μc-si etero-giunzione CIS/CdS cella CdTe/CdS Celle tandem

10 Sistema automatico di acquisizione dati Il SAAD si basa su una scheda DAQ con 12 bit di risoluzione, 8 canali differenziali, 50 ksa/s di frequenza di campionamento per canale; esso è verificato nel laboratorio di taratura del POLITO Il SAAD è adatto per misure DC/AC (DFT fino alla 50 a armonica). Le portate sono estese a 1000 V pk e 2000 A pk con incertezze tipiche di: ±0,1% per la tensione, ±0,5-1% per la corrente, ±0,6-1,1% per la potenza e ±2.5% per l irradianza

11 Sistema automatico di acquisizione dati Gli strumenti virtuali realizzati in Labview comprendono: un oscilloscopio a memoria con sistema di trigger e un data logger multicanale

12 Circuito di misura Il transitorio di carica di un adatto condensatore permette di determinare, in una singola scansione ( ms), la caratteristica dinamica I-V di un array FV senza l uso di un carico elettronico + Array FV Condensatore u(t) i(t) Cavo schermato DAQ PCMCIA PC Signal conditioning

13 Procedura sperimentale Le curve I-V misurate si estrapolano alle STC, secondo la norma IEC 891 per determinare la potenza nominale in condizioni operative P M G 2 = U R I I KI T T + β T I 2 = I1 + I SC1 1 + α ( T2 T1 ) ( ) ( ) ( ) U S T1 G 1 G = 953 W/m 2 T c = 62.4 C Curve I-U e P-U di un modulo da 197 Wp Corrente (A) Potenza (W) Tensione (V)

14 Procedura sperimentale La temperatura equivalente di cella TC è calcolata in due modi diversi. Nel primo modo si usa la seguente formula che richiede il parametro NOCT in C: NOCT 20 C ( 2 T G W m ) C = Ta W m Ta è la temperatura ambiente in C (misurata) NOCT: temperatura normale di lavoro di cella (fornito dal costruttore) G: irraggiamento solare (misurato) Il secondo modo sfrutta la formula della CEI 82-10, che si basa sulla tensione a circuito aperto VOCmis (misurata) e sul coefficiente termico della tensione a circuito aperto βt : T C = 25 C + V OCmis V β OC T (25 C)

15 Risultati sperimentali Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-si Coreano Hyd 197 Wp Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media P max 0,164 0,165 0,165 0,165 kw V Pmax 23,82 23,92 24,02 23,92 V I Pmax 6,89 6,89 6,86 6,88 A I sc 7,56 7,60 7,60 7,59 A I Pmax /I sc 0,91 0,91 0,90 0,91 V oc 30,73 30,70 30,70 30,71 V V Pmax /V oc 0,78 0,78 0,78 0,78 F ill F actor 70,7% 70,6% 70,7% 70,7% alle condizioni standard ( STC ) P mpp 0,191 0,191 0,192 0,191 kw V mpp 26,12 26,20 25,93 26,08 V I mpp 7,29 7,31 7,39 7,33 A Altri parametri T a 15,3 15,2 15,2 15,2 C G W/m 2 R s cella 0,013 0,013 0,013 0,013 Ω Scarto -3,3% -2,8% -2,8% -3,0% η 13,1% 13,2% 13,2% 13,2% T c 46,2 46,2 46,3 46,2 C Hyd Specifiche elettriche di targa ( STC ) V mpp 26,60 V I mpp 7,42 A V oc 33,30 V I sc 8,12 A P mpp 0,197 kwp η 13,6%

16 Risultati sperimentali Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-si Cinese SEt 260 Wp Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media P max 0,177 0,177 0,175 0,176 kw V Pmax 30,32 29,83 29,54 29,89 V V oc 39,97 40,00 40,02 40,00 V V Pmax /V oc 0,76 0,75 0,74 0,75 I Pmax 5,85 5,92 5,93 5,90 A I sc 6,44 6,41 6,31 6,39 A I Pmax /I sc 0,91 0,92 0,94 0,92 F ill F actor 68,8% 68,9% 69,3% 69,0% alle condizioni standard ( STC ) P mpp 0,237 0,236 0,235 0,236 kw V mpp 31,85 32,25 31,73 31,94 V I mpp 7,43 7,31 7,41 7,38 A Altri parametri T a 17,6 17,2 18,0 17,6 C G W/m 2 R s cella mω Scarto -9,0% -9,3% -9,6% -9,3% η 12,2% 12,1% 12,1% 12,1% T c 44,4 44,0 44,0 44,2 C Set 260 Wp Specifiche elettriche di targa ( STC ) V mpp 34,60 V I mpp 7,52 A V oc 43,60 V I sc 8,07 A P mpp 0,260 kw η 13,4%

17 Risultati sperimentali Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-si Tedesco Sco 205 Wp Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media P max 0,160 0,161 0,162 0,161 kw V Pmax 23,83 24,03 23,78 23,88 V I Pmax 6,72 6,72 6,81 6,75 A I sc 7,26 7,26 7,26 7,26 A I Pmax /I sc 0,93 0,93 0,94 0,93 V oc 30,79 31,09 30,95 30,95 V V Pmax /V oc 0,77 0,77 0,77 0,77 F ill F actor 71,7% 71,5% 72,0% 71,7% alle condizioni standard ( STC ) P mpp 0,204 0,202 0,203 0,203 kw V mpp 26,70 26,65 26,60 26,65 V I mpp 7,63 7,56 7,65 7,61 A Altri parametri T a 32,0 30,8 31,6 31,5 C G W/m 2 R s cella 0,013 0,014 0,013 0,013 Ω Scarto -0,6% -1,7% -0,8% -1,0% η 13,6% 13,5% 13,6% 13,6% T c 57,8 58,6 59,4 58,6 C Sco 205 Wp Specifiche elettriche ( STC ) V mpp 27,00 V I mpp 7,6 A V oc 32,90 V I sc 8,35 A P mpp 0,205 kwp η 13,7%

18 Risultati sperimentali Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-si Italiano Xgp 230 Wp Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media P max 0,157 0,156 0,156 0,156 kw V Pmax 27,11 27,11 27,21 27,14 V I Pmax 5,77 5,77 5,73 5,76 A I sc 6,26 6,25 6,22 6,25 A I Pmax /I sc 0,92 0,92 0,92 0,92 V oc 34,49 34,52 34,49 34,50 V V Pmax /V oc 0,79 0,79 0,79 0,79 F ill F actor 72,5% 72,5% 72,6% 72,5% alle condizioni standard ( STC ) P mpp 0,210 0,212 0,210 0,211 kw V mpp 28,78 28,80 28,68 28,75 V I mpp 7,30 7,36 7,31 7,32 A Altri parametri T a 12,2 12,2 12,9 12,4 C G W/m 2 R s cella 0,012 0,012 0,013 0,012 Ω Scarto -8,7% -7,8% -8,8% -8,4% η 13,0% 13,1% 13,0% 13,0% T c 41,3 40,9 41,2 41,1 C Xgp 230 Wp Specifiche elettriche di targa ( STC ) V mpp 29,87 V I mpp 7,7 A V oc 37,10 V I sc 8,1 A P mpp 0,230 kwp η 14,2%

19 Risultati sperimentali Esempio di misure effettuate su un modulo FV p-si Italiano B Sls 234 Wp Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media P max 0,178 0,176 0,175 0,177 kw V Pmax 24,75 24,36 24,51 24,54 V I Pmax 7,18 7,24 7,16 7,19 A I sc 7,87 7,87 7,87 7,87 A I Pmax /I sc 0,91 0,92 0,91 0,91 V oc 32,62 32,53 32,49 32,55 V V Pmax /V oc 0,76 0,75 0,75 0,75 F ill F actor 69,2% 68,8% 68,6% 68,9% alle condizioni standard ( STC ) P mpp 0,225 0,225 0,222 0,224 kw V mpp 29,72 29,72 29,33 29,59 V I mpp 7,57 7,56 7,56 7,56 A Altri parametri T a 30,6 33,0 34,8 32,8 C G W/m 2 R s cella 0,011 0,011 0,013 0,012 Ω Scarto -3,8% -4,0% -5,3% -4,4% η 13,6% 13,5% 13,4% 13,5% T c 63,7 64,4 63,5 63,9 C Sls 234 Wp Specifiche elettriche di targa ( STC ) V mpp 29,90 V I mpp 7,86 A V oc 37,66 V I sc 8,35 A P mpp 0,234 kwp η 14,1%

20 Confronto tra i moduli p-si Dati di targa Rendimento % Rendimento % 15 14, , , ,5 14, , , ,5 it it B de kr cn Elaborazione misure it it B de kr cn Tolleranza del costruttore Incertezza di misura

21 Confronto tra i moduli p-si Scarti percentuali tra la potenza di targa e quella rilevata col metodo di misura 0% -1% -2% -3% Scarti % -4% -5% -6% -7% -8% -9% -10% de kr it B it cn

22 Risultati sperimentali Misure effettuate su un modulo FV m-si Giapponese, con l etero-giunzione di Si monocristallino / Si amorfo Syo 230 Wp Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media P max 0,203 0,204 0,204 0,204 kw V Pmax 31,44 31,34 31,44 31,40 V I Pmax 6,46 6,50 6,50 6,49 A I sc 7,87 7,87 7,87 7,87 A I Pmax /I sc 0,91 0,92 0,91 0,91 V oc 39,98 40,04 39,93 39,98 V V Pmax /V oc 0,79 0,78 0,79 0,79 F ill F actor 71,7% 71,7% 71,5% 71,6% alle condizioni standard ( STC ) P mpp 0,225 0,226 0,226 0,226 kw V mpp 33,87 33,69 33,70 33,75 V I mpp 6,66 6,69 6,71 6,69 A Altri parametri T a 16,7 15,8 16,8 16,4 C G W/m 2 R s cella 0,012 0,012 0,012 0,012 Ω Scarto -2,0% -2,0% -1,7% -1,9% η 16,3% 16,3% 16,3% 16,3% T c 46,5 45,8 46,9 46,4 C Syo 230 Wp Specifiche elettriche di targa ( STC ) V mpp 34,30 V I mpp 6,71 A V oc 42,30 V I sc 7,22 A P mpp 0,230 kwp η 16,6%

23 Risultati sperimentali Misure effettuate su un modulo FV m-si Statunitense, in tecnologia all back surface contacts (BSC) SPw 315 Wp Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media P max 0,261 0,261 0,261 0,261 kw V Pmax 48,52 48,82 49,01 48,78 V I Pmax 5,38 5,34 5,33 5,35 A I sc 5,87 5,85 5,87 5,86 A I Pmax /I sc 0,92 0,91 0,91 0,91 V oc 60,94 60,97 60,97 60,96 V V Pmax /V oc 0,80 0,80 0,80 0,80 F ill F actor 73,0% 73,1% 73,0% 73,0% Alle condizioni standard ( STC ) P mpp 0,297 0,297 0,297 0,297 kw V mpp 51,78 52,02 52,22 52,01 V I mpp 5,73 5,71 5,69 5,71 A Altri parametri T a 15,2 15,2 15,2 15,2 C G W/m 2 R s cella 0,010 0,011 0,011 0,011 Ω Scarto -5,8% -5,8% -5,7% -5,8% η 18,2% 18,2% 18,2% 18,2% T c 44,4 44,3 44,3 44,3 C SPw 315 Wp Specifiche elettriche di targa ( STC ) V mpp 54,70 V I mpp 5,76 A V oc 64,60 V I sc 6,14 A P mpp 0,315 kwp η 19,3%

24 Risultati sperimentali Misure effettuate su un modulo FV m-si Cinese, in tecnologia tradizionale (ormai obsoleta) Shd 185 Wp Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media P max 0,107 0,109 0,108 0,108 kw V Pmax 29,93 30,76 30,22 30,30 V I Pmax 3,57 3,53 3,56 3,55 A I sc 3,91 3,89 3,90 3,90 A I Pmax /I sc 0,91 0,91 0,91 0,91 V oc 38,23 38,63 38,44 38,43 V V Pmax /V oc 0,78 0,80 0,79 0,79 F ill F actor 71,5% 72,3% 71,9% 71,9% alle condizioni standard ( STC ) P mpp 0,165 0,164 0,163 0,164 kw V mpp 33,88 34,43 34,03 34,11 V I mpp 4,86 4,75 4,79 4,80 A Altri parametri T a 31,4 32,7 33,5 32,5 C G W/m 2 R s cella 0,017 0,017 0,018 0,018 Ω Scarto -11,0% -11,6% -11,8% -11,5% η 12,9% 12,8% 12,8% 12,8% T c 56,6 56,5 57,4 56,9 C Shd 185 Wp Specifiche elettriche di targa ( STC ) V mpp 37,50 V I mpp 4,95 A V oc 44,50 V I sc 5,4 A P mpp 0,185 kwp η 14,5%

25 Confronto tra i moduli m-si 19 Dati di targa Tolleranza del costruttore Rendimento % Rendimento % Tradiz. etero-giunz. BSC Elaborazione misure Tradiz. etero-giunz. BSC Incertezza di misura

26 Confronto tra i moduli m-si Scarti percentuali tra la potenza di targa e quella rilevata col metodo di misura 0,0% -2,0% Scarto % -4,0% -6,0% -8,0% -10,0% -12,0% Tradiz. etero-giunz. BSC

27 Misure effettuate su un modulo FV in film sottile Giapponese Risultati sperimentali Srp 85W inizia Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media P max 0,068 0,068 0,068 0,068 kw V Pmax 46,15 46,44 46,44 46,35 V I Pmax 1,47 1,45 1,45 1,46 A I sc 1,69 1,67 1,67 1,68 A I Pmax /I sc 0,87 0,87 0,87 0,87 V oc 57,09 57,04 57,04 57,06 V V Pmax /V oc 0,808 0,814 0,814 0,812 F ill F actor 70,7% 70,7% 70,9% 70,8% alle condizioni standard ( STC ) P mpp 0,085 0,085 0,085 0,085 kw V mpp 48,9 49,1 49,0 49,0 V I mpp 1,7 1,7 1,7 1,7 A Altri parametri T a 17,5 17,5 17,2 17,4 C G W/m 2 R s cella 0,082 0,083 0,083 0,083 Ω Scarto -14,9% -15,0% -15,0% -15,0% η 8,1% 8,1% 8,1% 8,1% T c 44,1 43,9 43,6 43,9 C Srp 85Wp Specifiche elettriche di targa ( STC ) iniziale nominale iniziale nominale V mpp 52,00 49,00 V I mpp 1,92 1,74 A V oc 65,00 63,80 V I sc 2,2 2,11 A P mpp 0,100 0,085 kwp η 9,5% 8,1%