Ricerca su celle fotovoltaiche innovative Paola Delli Veneri Alberto Mittiga

Transcript

1 Produzione di energia elettrica e protezione dell ambiente Ricerca su celle fotovoltaiche innovative Paola Delli Veneri Alberto Mittiga L ENEA E LA RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO Roma, novembre 2011

2 Produzione mondiale di celle solari MW China/Taiwan ROW USA Europa Giappone Andamento della produzione mondiale di celle FV ripartita per aree geografiche (PV News, 2011) Area 2006 vs vs vs vs vs 2009 Giappone +11,2% -0,3% +32,6% +22,8% +45,2% Europa +42,3% +58,8% +78,4% +0,8% +62,7% USA +16,3% +52,2% +52,0% +41,7% +91,1% ROW (Cina, Taiwan, Corea, ecc.) +110,8% +113,1% +134,2% +97,3% +161,0% Totale +37,9% +51,1% +86,9% +54,3% +123,1%

3 Mercato delle varie tecnologie FV Si standard 83% CIGS/CIS 2% Il silicio cristallino ad oggi domina il mercato del FV. Tellururo di Cadmio 6% Si amorfo/ microcristallino 5% Si mono super 4% MW CIGS/CIS CdTe Si amorfo/microcr Fonte: PV News,

4 Prezzo per W Costi di produzione,prezzi e margini di profitto Il costo dei moduli costituisce circa il 50% del costo di un impianto FV installato 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 Prezzo medio al dettaglio dei moduli fotovoltaici sul mercato statunitense e europeo (Fonte: 3,00 2,50 Stati Uniti ($) Europa ( ) 2,00 01/01/ /01/1900 Dicembre 07/01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /02/ /02/ /02/ /02/ /02/ /02/ /02/ /02/ /02/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/1900 Ottobre 28/03/ /03/ Costi di produzione dei moduli e margini di profitto definiscono il prezzo di vendita dei moduli fotovoltaici delle diverse tecnologie 1,4 16% $/W Costi Margini Efficienza Eff. 1,2 14% 1 12% 0,8 10% 0,6 8% 0,4 6% 0,2 4% 0 Yingli (polisilicio Asia) First Solar (CdTe Malesia) Astroenergy (asi Cina) 0%

5 Costo energia prodotta ($/kwh /kwh) Oslo - Amsterdam - Londra - Berlino Bordeaux - Milano Ankara - Roma - Napoli Atene - Palermo - Siviglia - San Francisco Rabat - Siracusa - Cairo - Los Angeles Sharm El Sheikh - Marzuq (Libia) Tuliab (Libia) - Sana'a (Yemen) Costo Sistema FV ($/W /W) Competitività del fotovoltaico 0,35 0,25 0,15 0, Produzione annuale (kwh/kw) 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Piena competitività del fotovoltaico Costi di impianto inferiori a 2 /W

6 Linee di attività Fotovoltaico avanzato a base di film sottili di silicio Sviluppo di materiali e celle a film sottili policristallini a base di rame ed elementi II-IV e VI Sviluppo di celle organiche a base di materiali polimerici o ibridi

7 thickness in micron Vantaggi del FV a film sottile Sawing loss Device c-si < 3 Thin Film Utilizzo di strati molto sottili di materiale Processi di fabbricazione meno energivori Interconnessione monolitica per realizzare i moduli Processi fortemente automatizzati: glass in module out

8 Possibilità di depositare su larga area 1.4 m² solar modules

9 Prodotti flessibili e leggeri PowerPlastic Konarka

10 Moduli FV semi-trasparenti

11 Film sottili di silicio: Le celle micromorfe Sviluppo e realizzazione di strati assorbitori alternativi e innovativi per celle tandem di silicio blue Sun light glass a-si:h c-si:h ZnO/Ag red TCO p i n p i n Film nanostrutturati di silicio (Si QDs) per la cella top Film di silicio-germanio microcristallino per la cella bottom PECVD/VHF PECVD

12 (cm -1 ) Film sottili di silicio: Sviluppo di assorbitori nanostrutturati per la cella top Nanocristalli di Si in matrice di nitruro di Silicio SiNx (dopo annealing at 1100 C) Quantum dot di Si in matrice di Si 3 N 4 n-siox:h (as-grown) Quantum dot di Si in matrice di SiO Si-ncs size 3.5nm Si-ncs size 9nm csi LLNL - USA Nanocristalli di Si in matrice di Si and Ge QDs with size 1-6 nm ossido di Silicio E(eV)

13 Absorption coefficient (cm Film sottili di silicio: strati assorbitori a base di film di silicio germanio microcristallino -1 )105 Normalized Raman Intensity I film di silicio germanio consentono un più efficace assorbimento della radiazione nella regione infrarossa 10 4 Increasing GeH 4 /SiH Energy (ev) Increasing GeH 4 /SiH Raman shift (cm -1 )

14 Film sottili di silicio: intrappolamento della radiazione solare Riflettori intermedi e posteriori consentono di ridurre gli spessori degli strati assorbitori consentendo un potenziale vantaggio in termini industriali Sviluppo di film di ossido trasparente e conduttore (TCO) con una opportuna morfologia superficiale

15 J SC (ma/cm 2 ) glass EQE EQE Film sottili di silicio: intrappolamento della radiazione solare Sviluppo di strati di ossido di silicio di tipo n altamente trasparenti n c-si:h n SiO x :H (a) n c-si:h, 35nm n SiOx:H, 35 nm n SiOx:H, 45 nm n SiOx:H, 65 nm Wavelength (nm) Strati di n-siox:h sono stati utilizzati come strati riflettori intermedi e posteriori nei dispositivi micromorfi Wavelength (nm) 14 a-si c-si 12 p i n p i n No IL Ag No ZnO Voc= 1.3 V Jsc=12.1 ma/cm2 FF= 71.9% = 11.3% Cella tandem micromorfa semplificata (senza riflettori intermedi e posteriori). Lo spessore degli strati assorbitori è circa 1.7 m

16 J (ma/cm 2 ) Quantm Efficiency Film sottili di silicio: intrappolamento della radiazione solare Sviluppo di elettrodi frontali di ZnO depositati con tecnica MOCVD capaci di efficace intrappolamneto della radiazione =11.6% ZnO con struttura piramidale substrato ENEA substrato commerciale Wavelength (nm) Voltage (V) Il substrato con lo ZnO sviluppato in ENEA ha una risposta nell infrarosso migliore rispetto a quello commerciale 500 nm ZnO con doppia testurizzazione Sviluppo di ZnO mediante tecnica sol-gel

17 Film sottili di silicio: Realizzazione minimoduli 10 cm 10 cm Con laser di lunghezze d onda opportune vengono rimossi strati specifici di materiale

18 Sviluppo di celle a film sottili policristallini a base di rame ed elementi II-IV e VI Chalcopyrite: CuInSe 2 (I-III-VI) La ricerca si propone di superare i problemi legati all utilizzo di materiali scarsamente disponibili Possibilità di sostituire l indio con coppie di elementi dei gruppi II e IV. Zn Sn Kesterite: Cu 2 ZnSnS 4 (I-II-IV-VI)

19 Sviluppo di celle a film sottili policristallini a base di rame ed elementi II-IV e VI 1. Lavaggio vetro soda lime 2. Sputtering back contact di Mo 3. Evaporazione dei precursori 4. Solforizzazione in forno a tubo 5. Deposizione per CBD del CdS 6. Sputtering dello ZnO 7. Evaporazione griglia di raccolta 8. Scribing per definizione area attiva Impianto di deposizione per sputtering

20 Q.Y. Sviluppo di celle a film sottili policristallini a base di rame ed elementi II-IV e VI ZnO Messa a punto dei processi di crescita e di caratterizzazione di celle solari a film sottili policristallini Cu2 -II-IV-VI4 CZTS Mo CZTS5 Dot 14 Area=0.126 cm Jsc=10.6 ma/cm (nm) Voc=454 mv, Jsc=8.13 ma/cm 2, FF=52.9 %, Eff=1.95 %, Area=0.02 cm 2

21 Sviluppo di celle organiche a base di materiali polimerici Light e -

22 Sviluppo di celle organiche a base di materiali polimerici Glove box operante in atmosfera di azoto Area= 0.34 cm 2 Eff= 4.1 % FF= 57 % Jsc= 11.8 ma/cm 2 Voc= 614 mv Rs= 11 Ohm*cm 2 Rsh= 918 Ohm*cm 2 Voc = 635 mv Jsc 8.51 ma/cm 2, FF = 53.6%). Efficienza = 2.9% Area = 0.8 cm 2

23 Transmittance (%) Current (A) Sviluppo di celle organiche a base di materiali polimerici Sviluppo di PEDOT:PSS altamente conduttivo per celle solari polimeriche PEDOT:PSS undoped DMSO doped PEDOT:PSS PEDOT:PSS undoped DMSO-doped PEDOT:PSS 1E-3 1E E Transmittance of 50 nm PEDOT:PSS films with and without doping spincoated on quartz (nm) 1E-6 1E-7 I-V Characteristics of PEDOT:PSS films, with and without doping Voltage (V) Struttura del dispositivo: GLASS HC-PEDOT:PSS P3HT:PCBM Ca Al Area= 0.20 cm 2 Eff= 2.5 % FF= 44 % Jsc= 9.7 ma/cm 2 Voc= 575 mv Rs= 25 Ohm*cm 2 Rsh= 606 Ohm*cm 2

24 Collaborazioni Università degli Studi Federico II di Napoli Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Genova Dipartimento di Fisica Università del Sannio - Dipartimento di Ingegneria Università della Calabria Dipartimento di elettronica informatica e sistemistica Università di Modena e Reggio Emilia - Dipartimento di Chimica Università di Trieste Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche Università di Salerno Dipartimento di Ingegneria elettronia e Ingegneria Informatica Università di Trento - Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industriali Università La Sapienza di Roma - Dipartimento di Fisica FN SpA

25 Contatti ENEA UTTP Laboratori di Portici ENEA UTRINN-FVC Laboratori di Casaccia Ricerca su celle fotovoltaiche innovative Paola Delli Veneri Alberto Mittiga Si ringrazia Carlo Privato