LA FISICA SEMPLICE COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI

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1 LA FISICA SEMPLICE COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI 2

2 Direttore Ivan DAVOLI Università degli Studi di Roma Tor Vergata Comitato scientifico Livio NARICI Università degli Studi di Roma Tor Vergata Michael ARONS Department of Physics, Long Island University

3 LA FISICA SEMPLICE COLLANA DIRETTA DA IVAN DAVOLI I fatti matematici che vale la pena studiare sono quelli che, in analogia ad altri fatti, sono in grado di portarci alla conoscenza di una legge fisica. Henri POINCARÉ La collana ha come obiettivo quello di pubblicare testi di Fisica di base presupponendo che il lettore abbia le conoscenze matematiche apprese in una qualunque scuola superiore. La Fisica semplice si rivolge a studenti e giovani laureati che non devono intraprendere la carriera tipica di uno studente di Fisica o di Ingegneria. Le attività scientifiche cosiddette soft sono in rapida evoluzione, ma sono spesso caratterizzate da una scarsa preparazione fisico matematica. Questa lacuna deve essere colmata invitando ad uno studio delle materie scientifiche di base più assiduo e consapevole, ma anche rivedendo molti dei percorsi formativi che le scienze esatte abitualmente offrono a questi studenti. Le attività di questi operatori scientifici, pur non avendo bisogno di una completa preparazione in Fisica, necessitano comunque degli strumenti tipici della Fisica di base, che siano ridotti al minimo, ma che siano nel contempo molto chiari e solidi. La collana ospita testi, siano essi monotematici o generalisti, che contengono la descrizione dei fenomeni espressa con un linguaggio semplice, ma corretto, e le conseguenti conclusioni devono essere presentate in forme operative facilmente accessibili, quali formule e grafici.

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5 Alessio Bosio Daniele Menossi Greta Rosa Il fotovoltaico di seconda generazione diventa competitivo I film sottili vanno oltre il 20% di efficienza

6 Copyright MMXVI Aracne editrice int.le S.r.l. via Quarto Negroni, Ariccia (RM) (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: gennaio 2016

7 Cominciate col fare ciò che è necessario, poi ciò che è possibile. E all improvviso vi sorprenderete a fare l impossibile. SAN FRANCESCO D ASSISI

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9 Indice 11 Prefazione 13 Capitolo I Generalità sul fotovoltaico 1.1. Il consumo energetico mondiale, Il mercato dell energia elettrica mondiale, L evoluzione del mercato del fotovoltaico, Lo sviluppo del mercato del fotovoltaico in Europa, Le previsioni fino al 2017 del mercato fotovoltaico in Europa, L evoluzione dell industria del fotovoltaico, Le prospettive future dell industria del fotovoltaico, Lo sviluppo sostenibile, Capitolo II Funzionamento delle celle solari 2.1. Effetto fotovoltaico nei semiconduttori, Distribuzione qualitativa dei fotoni dello spettro solare, La cella fotovoltaica, Circuito equivalente della cella, Parametri caratteristici, Il sistema fotovoltaico, Capitolo III I materiali 3.1. Le principali tipologie di celle solari, Celle fotovoltaiche di prima generazione, Celle fotovoltaiche di seconda generazione, Celle solari a film sottile a base di Silicio amorfo, Celle solari a film sottile a base di CdTe, Celle solari a film sottile a base di CIS e CIGS, Celle solari a film sottile a base di CZTS e CZTSSe, Celle fotovoltaiche di terza generazione, Celle solari a concentrazione, Celle solari a colorante organico, Celle solari organiche, Capitolo IV Sputtering e selenizzazione 4.1. Introduzione alle tecniche di deposizione di film sottili, Lo sputtering, Generazione e mantenimento della scarica, L efficienza di sputtering, Diverse configurazioni dello 9

10 10 Indice sputtering, I target, Il substrato, La selenizzazione, Capitolo V I precursori 5.1. I diagrammi di fase dei precursori, Le caratteristiche fisico chimiche dei precursori, Capitolo VI Celle solari a base CuInGaSe 2 / CdS 6.1. Il CIGS, Proprietà strutturali del CIGS, Proprietà elettroniche del CIGS, I difetti intrinseci, Le celle solari a base CIGS/CdS, Il substrato, Il contatto posteriore o back contact, Lo strato finestra o window layer, Il contatto frontale o front contact, Il buffer layer, L evoluzione delle celle solari a base CIGS, La storia delle celle solari a base CIGS, La storia del Cu(In,Ga)Se 2 nel ThiFiLab, Capitolo VII I risultati sperimentali 7.1. Introduzione alle misure effettuate, Caratteristica I-V, Misure di efficienza quantica esterna, Descrizione delle prove effettuate, Primo gruppo, Secondo gruppo, Terzo gruppo, Il light soaking, Prestazioni dei dispositivi a lungo termine, Conclusione, Conclusione

11 Prefazione L incalzante richiesta di energia grazie all aumento della domanda da parte di paesi emergenti come India, Cina e Brasile e la necessità contemporanea di preservare l ambiente hanno sempre più aumentato l interesse per lo sviluppo di nuove tecnologie che fanno uso di energia solare. In particolare l energia solare fotovoltaica, la conversione diretta dell energia solare in energia elettrica per mezzo di materiali semiconduttori, ha avuto un forte sviluppo negli ultimi 30 anni. Il parametro più importante che caratterizza un dispositivo fotovoltaico è il rapporto tra la sua efficienza di conversione e il suo costo. Un valore inferiore a 0,5 USD/W p è considerato competitivo con l energia elettrica ottenuta da fonti energetiche fossili (la cosiddetta Grid Parity). Nonostante il forte sviluppo di dispositivi fotovoltaici negli ultimi anni, il miglior risultato finora ottenuto è di circa 0,8 USD/W p per moduli a film sottile a base CdTe/CdS fabbricati da First Solar e per moduli a base di CuInGaSe 2 /CdS prodotti da Solar Frontier. In questo momento, sembrerebbe che solamente le celle solari a film sottili rappresentino una possibile soluzione al problema della produzione di energia, soprattutto se si considera come obbiettivo uno sviluppo sostenibile assieme alla salvaguardia dell ambiente. Infatti, le celle solari a film sottile rispetto alle classiche celle al Silicio presentano innumerevoli vantaggi, tra cui: la notevole riduzione dei materiali utilizzati, la possibilità di realizzare dispositivi flessibili e la considerevole riduzione dei costi per la produzione industriale su larga scala. È in quest ottica che s inserisce la ricerca presso il Thin Film Laboratory (ThiFiLab) dell Università di Parma che da ormai molti anni svolge un lavoro pionieristico nell ambito delle celle solari a film sottili a base di CdTe e CIGS. In questo libro, introducendosi nella ricerca avviata presso il Thi- FiLab sulla cella a base di CIGS, si è arrivati a definire un processo produttivo completo che ha il grande merito di poter essere trasferito 11

12 12 Il fotovoltaico di seconda generazione diventa competitivo alla produzione industriale di moduli fotovoltaici ad alta efficienza ( 13%). Tale risultato è stato ottenuto su vetro soda lime e su piastrelle ceramiche di tipo commerciale aprendo l opportunità d integrazione diretta del fotovoltaico nell edilizia di ultima generazione (Building Integrated Photovoltaics BIPV). Oltre ad un introduzione sullo stato dell arte, sui materiali e sulle tecniche utilizzate saranno ampiamente discusse, da un punto di vista sperimentale, le criticità incontrate, le soluzioni proposte ed i traguardi raggiunti.

13 Capitolo I Generalità sul fotovoltaico In questo capitolo vengono descritti brevemente il consumo di energia mondiale e le principali fonti di energia, ponendo l attenzione sulle fonti rinnovabili, in particolare sul fotovoltaico. Inoltre, viene analizzata l evoluzione del mercato e della produzione di pannelli fotovoltaici, mantenendo uno sguardo sulla sostenibilità di questo sviluppo Il consumo energetico mondiale Ponendo l attenzione sul consumo mondiale di energia, il Department Of Energy americano (DOE) ha stilato nel 2013 un documento intitolato International Energy Outlook 2013, With Projections to , dove ha mostrato una previsione di crescita del consumo mondiale di energia del 56% nel periodo tra il 2010 e il Si presume infatti, che il fabbisogno di energia primaria 1 a livello mondiale aumenterà dai 150,4 TWh nel 2010 a 184 TWh nel 2020 fino a 240 TWh nel 2040, come si può osservare nel grafico riportato in figura 1.1. È importante rilevare che gran parte dell aumento nell utilizzo di energia avviene in paesi che non appartengono all Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (OCSE) 2, dove la 1. Una fonte di energia viene definita primaria quando è presente in natura e quindi non deriva dalla trasformazione di nessuna altra forma di energia. Rientrano in questa classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica, l energia delle biomasse) che fonti esauribili, come i combustibili direttamente utilizzabili (petrolio grezzo, gas naturale, carbone) o l energia nucleare. Si differenziano dalle fonti di energia secondaria in quanto queste ultime possono essere utilizzate solo a valle di una trasformazione di energia (come la benzina, in seguito a raffinazione chimica, o l energia elettrica o l idrogeno). 2. L OCSE è una organizzazione internazionale di studi economici per i paesi membri. I paesi, che vi appartengono, hanno in comune un sistema di governo di tipo democratico ed una economia di mercato. I paesi membri sono: Stati Uniti, Canada, Messico, Austria, Belgio, Cile, Repubblica Ceca, Danimarca, Estonia, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Islanda, 13

14 14 Il fotovoltaico di seconda generazione diventa competitivo Figura 1.1. Crescita del consumo energetico primario nel periodo domanda è guidata da una forte crescita economica a lungo termine. Infatti, il consumo di energia nei paesi non appartenenti all OCSE prevede per i prossimi venticinque anni un aumento del 90%, mentre nei paesi OCSE l aumento stimato è del 17%. In questa prospettiva di rapido aumento dei consumi mondiali s inserisce la forte necessità di approvvigionamento da fonti di energia rinnovabile, per salvaguardare il pianeta da inevitabili problemi di inquinamento ambientale. Infatti, in molte parti del mondo, le preoccupazioni circa la sicurezza degli approvvigionamenti energetici e le conseguenze ambientali delle emissioni di gas serra hanno stimolato le politiche governative ad un sostegno delle fonti energetiche rinnovabili. Proprio per questo motivo, si può notare, che le energie rinnovabili sono in crescita, con un incremento del 2,5% annuo. Tuttavia, si prevede che i combustibili fossili continueranno a fornire quasi l ottanta per cento del fabbisogno energetico mondiale fino al Il gas naturale rappresenta il combustibile fossile in Irlanda, Israele, Italia, Lussemburgo, Paesi Bassi, Norvegia, Polonia, Portogallo, Slovacchia, Slovenia, Spagna, Svezia, Svizzera, Turchia, Regno Unito, Giappone, Corea del Sud, Australia, Nuova Zelanda e ai fini di informazioni statistiche Israele è incluso nei paesi europei membri dell OCSE.

15 I. Generalità sul fotovoltaico 15 più rapida crescita, con un aumento globale di consumo stimato del 1,7% annuo. L utilizzo di carbone crescerà più velocemente di quello del petrolio e degli altri combustibili liquidi, almeno fino al Questo è dovuto all aumento del consumo di carbone da parte della Cina e per la debole crescita della domanda di petrolio nei paesi OCSE, a causa del rallentamento della crescita e degli alti prezzi del petrolio. Come si può vedere dalla figura 1.2, le proiezioni sulla crescita dei consumi energetici fino al 2040, dicono che l utilizzo dei combustibili fossili aumenterà con lo stesso ritmo con cui aumenteranno tutte le altre fonti di approvvigionamento energetico. Questo è dovuto al modello economico della crescita continua a cui si ispirano i paesi OCSE ed i paesi in via di sviluppo; questo tipo di crescita necessita di un continuo aumento nell uso delle fonti energetiche tradizionali ed innovative come le fonti rinnovabili. Si può, inoltre, osservare in figura 1.3 che il settore industriale continua a rappresentare la quota maggiore per il consumo di energia erogata. Per il 2040 si prospetta ancora che il settore industriale consumi circa la metà dell energia fornita a livello mondiale. Figura 1.2. Crescita del consumo delle varie tipologie di fonti energetiche nel periodo in TWh.

16 16 Il fotovoltaico di seconda generazione diventa competitivo Nonostante le attuali politiche e normative, che limitano l uso di combustibili fossili, le emissioni di anidride carbonica a livello mondiale sono in aumento dai circa 31 miliardi di tonnellate nel 2010, ai 45 miliardi di tonnellate nel 2040, con un aumento del 46% (come si può vedere nelle figure 1.4 e 1.5) Il mercato dell energia elettrica mondiale Prendendo in considerazione il consumo di energia elettrica, si può osservare un aumento nella produzione di circa il 93% nel periodo tra il 2010 e il 2040, dai 20,2 miliardi di kwh nel 2010 ai 39 miliardi di kwh nel In generale, la crescita della domanda di energia elettrica nei paesi OCSE, dove il mercato dell elettricità e i modelli di consumo sono ben stabiliti, è più lenta rispetto ai paesi che non appartengono all OCSE, dove ancora oggi molte persone non hanno alcun accesso all elettricità. La produzione totale netta di energia elettrica nei paesi non appartenenti all OCSE aumenta in media del 3, 1% all anno. A guidare questo Figura 1.3. Crescita del consumo di energia mondiale utilizzata nel settore industriale nel periodo

17 I. Generalità sul fotovoltaico 17 Figura 1.4. Scenario dell emissione di CO 2 nei vari paesi. Figura 1.5. Scenario delle emissioni di CO 2 previsto fino al 2035 nei paesi OCSE e non OCSE.