L ENERGIA FOTOVOLTAICA: DALLE CELLE SOLARI A SEMICONDUTTORE ALLE INNOVAZIONI TECNOLOGICHE E LO SVILUPPO DI NUOVI MATERIALI

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1 Università degli Studi di Trieste LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA ELETTRONICA APPLICATA L ENERGIA FOTOVOLTAICA: DALLE CELLE SOLARI A SEMICONDUTTORE ALLE INNOVAZIONI TECNOLOGICHE E LO SVILUPPO DI NUOVI MATERIALI Laureando: Francesco Vidon Relatore: Prof. Paolo Sirotti

2 INTRODUZIONE

3 L ENERGIA SOLARE Energia prodotta sfruttando direttamente l energia irraggiata dal Sole verso la Terra L irraggiamento solare medio alle latitudini europee è di circa 200 W/m2 L energia solare è poco concentrata e difficile da convertire in energia facilmente sfruttabile con efficienze accettabili

4 L ENERGIA SOLARE

5 IL PANNELLO FOTOVOLTAICO Converte la luce solare direttamente in energia elettrica Sfrutta l effetto fotoelettrico L efficienza media di un impianto è di circa il 12% (con pannelli in silicio) Il difetto principale è il costo: per produrre il 10% dell energia elettrica consumata in Italia Sistemi fotovoltaici 240 miliardi di euro 4 reattori nucleari meno di 10 miliardi di euro

6 CENNI TEORICI

7 L EFFETTO FOTOVOLTAICO I fotoni che raggiungono una giunzione pn stimolano la generazione di portatori di carica

8 CIRCUITO EQUIVALENTE DI UNA CELLA SOLARE qv kt I = I L I J = I L I 0 e 1 kt I L I V = ln + 1 q I0 VOC kt I L = ln + 1 q I0

9 OSSERVAZIONI

10 EFFICIENZA DI CONVERSIONE η = I maxvmax E sol I maxvmax qvoc I SC E g I SC E g η = = E sol qvoc I SC E g qe sol Vmax I max qvoc VOC I SC E g fattore di curva fattore di tensione

11 PERDITE DI ENERGIA

12 CELLE CRISTALLINE Silicio monocristallino Silicio policristallino GaAs

13 SILICIO MONOCRISTALLINO Record di efficienza: 24% Efficienza di un modulo intorno al 15% Circa il 45% dei moduli venduti al mondo Prodotto con il metodo Czochralski 90% delle performance garantite nei 20 anni di vita utile

14 SILICIO POLICRISTALLINO Record di efficienza: 19.8% Efficienza di un modulo intorno al 12% Circa il 35% dei moduli venduti al mondo Prodotto fondendo il silicio direttamente all interno di lingottiere rettangolari 90% delle performance garantite nei 20 anni di vita utile

15 GaAs (Arseniuro di Gallio) Semiconduttore realizzato con elementi del III-V gruppo della tavola periodica Eg = 1.42 ev Massima efficienza di conversione dei fotoni Valori di efficienza maggiori del 30% Costi elevati

16 CELLE A FILM SOTTILE Silicio amorfo CIS e CIGS CdTe

17 SILICIO AMORFO Record di efficienza: 13% circa Perde quasi il 10% delle prestazioni nelle prime ore di esposizione Efficienza nel tempo tra il 5% e l 8% Superficie di colore uniforme marrone con riflessi rossastri Gran successo a livello estetico e architettonico Costi ridotti

18 CIS E CIGS CIS: Copper Indium diselenide CIGS: Copper Indium Gallium diselenide Record di efficienza: 18.8% Prestazioni stabili nel tempo Stato di maturità sul piano della uniformità di produzione ancora insufficiente

19 CdTe (Tellururo di Cadmio) Record di efficienza: 16% Esistono molti metodi di produzione e tutti hanno consistenti margini di miglioramento I moduli forniscono un efficienza nettamente più bassa: dal 15% al 6 8% Non uniformità di produzione: eccellente o povera stabilità

20 ALTRI TIPI DI CELLE Celle fotoelettrochimiche Celle polimeriche Celle a multigiunzione in sistemi a concentrazione

21 CELLE FOTOELETTROCHIMICHE Sfruttano un principio fisico simile a quello della fotosintesi clorofilliana

22 CELLE FOTOELETTROCHIMICHE Record di efficienza: 11% Record ottenuto su una cella di 0.5 cm2 Al crescere dell area tale valore si abbassa drasticamente Prestazioni stabili dopo circa un anno di esposizione alla luce del sole

23 CELLE POLIMERICHE Record di efficienza: 4% circa Efficienza delle prime celle intorno allo % Efficienza attuale nell intervallo 2 3% Basate su sistemi polimerici a due fasi interpenetranti Le prestazioni decrescono rapidamente dopo poche ore di esposizione al sole

24 CELLE A MULTIGIUNZIONE IN SISTEMI A CONCENTRAZIONE Record di efficienza: 39.2% L obiettivo è ottimizzare la raccolta della luce solare per ottenere valori di efficienza più elevati

25 CELLE A MULTIGIUNZIONE IN SISTEMI A CONCENTRAZIONE

26 CONCLUSIONI

27 CONCLUSIONI

28 CONCLUSIONI Ricerca di nuove generazioni di celle fotovoltaiche dotate di maggiore efficienza Ricerca di celle fotovoltaiche più economiche