Celle Solari all Arseniuro di Gallio: un Futuro sulla Terra. Pavia, 14 Aprile 2010

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1 Celle Solari all Arseniuro di Gallio: un Futuro sulla Terra 1

2 Contenuto La conversione fotovoltaica ed il GaAs Il CESI e la sua storia Il processo produttivo delle celle solari III-V La cella al GaAs per applicazioni spaziali CPV la nuova sfida 2

3 Contenuto La conversione fotovoltaica ed il GaAs Il CESI e la sua storia Il processo produttivo delle celle solari III-V La cella al GaAs per applicazioni spaziali CPV la nuova sfida 3

4 La sorgente solare Il sole emette energia elettromagnetica per effetto dei processi di fusione dell idrogeno in elio. Massa del sole= 1.98 *10 30 kg Perdita di massa= 4.1* 10 9 Kg/sec Tempo di vita = 1.53 * anni 4

5 Lo spettro solare Power (W/m2) AM0 AM1.5 AM2 AM kw/m kw/m wavelength (um) L energia proveniente dal sole è una quantità enorme sul globo terrestre, MA non è sempre disponibile ed è distribuita. Da qui, la difficoltà per un suo impiego diffuso in campo terrestre. Nello spazio rappresenta l unica fonte disponibile per missioni di lunga durata. = V m x I m // Area x P sole sole L efficienza di una cella misurata a terra è maggiore di quella misurata nello spazio! 5

6 Distribuzione dell energia solare in Italia kwh/m 2 giorno Nel calcolo dell irraggiamento vengono considerate tutte le componenti della radiazione solare. 6

7 Radiazione solare Diretta a incidenza normale (DNI) Halthore R. N., et al "Comparison of Model Estimated and Measured Direct- Normal Solar Irradiance," J. Geophys. Res. 102(D25):

8 La conversione fotovoltaica Quando il fotone incide sul cristallo semiconduttore le coppie di cariche ( e -, h + ) vengono separate dal campo elettrico di giunzione. Se ai capi del dispositivo poniamo dei contatti elettrici possiamo raccogliere I portatori e farli fluire in un circuito esterno Ioni positivi Ioni negativi L effetto fotoelettrico consiste nell instaurasi ai capi del dispositivo di una tensione per effetto dell illuminazione del materiale semiconduttore con radiazione di lunghezza d onda opportuna 8

9 La conversione fotovoltaica Fotoni Se si applica un carico a resistenza variabile ai capi della cella fotovoltaica si possono determinare i parametri caratteristici del dispositivo griglia e N + CARICO CURRENT (A) P VOLTAGE (V) FF FF = Voc Vocx Isc/ Isc/ V m x II m = V m x II m / / P sole x sole Area Area 9

10 La conversione fotovoltaica E possibile creare un campo elettrico all interno del materiale semiconduttore introducendo al suo interno atomi di diversa natura (impurezze donatrici e accettrici) 10

11 Principali tipologie di celle solari In qualsiasi semiconduttore è possibile attivare l effetto fotovoltaico. A livello commerciale la scelta è limitata a celle e pannelli realizzati con semiconduttori ben noti. Applicazione terrestre Tipologia Efficienza AM1.5 Silicio cristallino e policristallino Pannelli piani 12-16% Film sottile: CI(G)S, CdTe, Si Pannelli piani 8-14% amorfo GaAs (CPV) Concentratori >35% Applicazione spaziale Tipologia Efficienza AM0 Silicio monocristallino Pannelli piani 14-18% GaAs Pannelli piani 19%(SJ); 28%(TJ) 11

12 I Semiconduttori del gruppo III-V Per realizzare celle a tripla giunzione è essenziale scegliere semiconduttori con caratteristiche di costante reticolare simili a quella del substrato (Germanio). Bandgap [ev] 2.5 AlP GaP Si (AlGa)InP AlAs Ga (AlGa)InAs 0.51 In 0.49 P InP GaAs GaInNAs Ge InAs Lattice constant [Å] 12

13 I vantaggi del GaAs Il GaAs è uno dei semiconduttori che meglio converte la radiazione dello spettro solare in energia elettrica. Tutta la radiazione viene assorbita in pochi micron sotto la superficie. Rispetto alle celle solari al Silicio quelle al GaAs: sono più efficienti (28%* contro il 18%) resistono meglio alle radiazioni e quindi durano di più degradano meno alle temperature cui operano i pannelli solari nello spazio (70 C). * Celle TJ 13

14 Tipologie di celle al GaAs Esistono due tipi di celle solari al GaAs per applicazione spaziale: le celle a singola giunzione caratterizzate da efficienza del 19-20% le celle a tripla giunzione caratterizzate da efficienza dal 24 al 28% Giunzione 3 Grid AR N + -GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N + -GaInP Base: P -GaInP AR BSF: P + -AlInGaP Grid AR P + -GaAs Window: P + -AlGaAs Emitter: P + -GaAs Base: N-GaAs Buffer: N + -GaAs Substrate: N -Ge AR Le celle al GaAs sono ottenute depositando i vari strati fisicamente con tecniche di epitassia. Nel silicio la giunzione si ottiene per diffusione dei droganti. Diodo tunnel Giunzione 2 Diodo tunnel Giunzione 1 TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -InGaP Window: N + -AlGaAs Emitter: N + -InGaAs Base: P-InGaAs Buffer: P + -InGaAs TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N -InGaP Substrate: P -Ge Back Contact Contact 14

15 La cella a tripla giunzione Spettro solare Parte non utilizzabile InGaP _ La connessione in serie delle 3 giunzioni si ottiene con diodi tunnel I InGaAs Giunzione 3 Ge Giunzione 2 Giunzione 1 + Diodo tunnel: zona di funzionamento V 15

16 Caratteristiche La tensione ai capi è data dalla somma delle 3 tensioni: Vtot = V 1 + V 2 + V 3 La corrente generata è quella della giunzione che produce meno corrente Condizione importante: le correnti delle 3 celle devono essere confrontabili per non penalizzare l efficienza! Risposta spettrale singola giunzione External QE GaInP GaInP GaAs GaAs Risposta spettrale tripla giunzione Ge Ge Wavelength (nm) Cella Tensione a vuoto Corrente di corto circuito Singola 1 V 32 ma/cm 2 Tripla 2.6 V 16 ma/cm 2 16

17 Contenuto La conversione fotovoltaica ed il GaAs Il CESI e la sua storia Il processo produttivo delle celle solari III-V La cella al GaAs per applicazioni spaziali CPV la nuova sfida 17

18 Il CESI CESI è uno degli artefici a livello mondiale dello sviluppo della tecnologia delle celle solari al GaAs sia in ambito spaziale che terrestre. CESI è la sola Azienda italiana che possiede integralmente la tecnologia produttiva delle celle solari al GaAs ed è una delle poche al mondo. Per CESI il fotovoltaico a concentrazione (CPV= Concentration PhotoVoltaics) rappresenta il naturale sbocco della tecnologia sviluppata per lo spazio. 18

19 CESI e le celle solari III-V: le tappe salienti CESI è uno dei pionieri a livello mondiale sulla ricerca e lo sviluppo di celle solari al GaAs sia per le applicazioni spazio che per le applicazioni terrestri (ha al suo attivo 80 pubblicazioni di livello internazionale) : attività preliminari sul CPV : sviluppo di celle solari SJ per lo spazio : produzione di celle solari per lo spazio : sviluppo di celle solari SJ e TJ in collaborazione con un crescitore epitassiale esterno (strutture con polarità P su N) : sviluppo di celle solari a tripla giunzione (TJ) su reattore CESI (strutture con polarità N su P) per lo spazio : attività preliminari sulla alta concentrazione terrestre principalmente sulle celle TJ (Ricerca di Sistema elettrico) : sviluppo di celle a tripla giunzione per l alta concentrazione terrestre sul reattore epitassiale CESI N of satellites Installed power (kw) Cell surface (m 2 ) N of cells N of countries 62* > * 18 *(40 in orbit) * ( TJ) 19

20 I primi esperimenti sull uso del GaAs nel CPV % " &' &! () *+ % " & &' ' &!, () ' *+ " & - ',! ". ' / 0 " -! ". / 0 Da questo lavoro ha preso le mosse l attività di sviluppo delle celle spazio del CESI!! "#$!% "#$! "!% #! $! " #! $ 20

21 CESI: con l ESA dal 1982 Nel 1982 CESI ha iniziato la sua attività di sviluppo delle celle per lo spazio con la missione ESA Solar Cell Calibration Experiment (SCCE). Le prime celle solari europee al GaAs furono calibrate da ESA sulla piattaforma SCCE durante le missioni Space Shuttle n 7 e n 11. SCCE STS 07 21

22 ASGA: il dimostratore tecnologico a bordo di EURECA (EUropean REtrievable CArrier) Nel 1985, sotto l egida di ASI, CESI ha proposto all ESA di far volare a bordo di EURECA un dimostratore tecnologico per celle solari avanzate. L hardware sviluppato includeva una struttura di supporto con un pannello solare composto da 6 stringhe di celle al GaAs, un pannello con tre concentratori di tipo Cassegrain e l unità di controllo e misura. ASGA è stato il più avanzato hardware di volo per il test delle celle solari di quel tempo. Il lancio ebbe luogo nel 1992 è rimase in orbita 12 mesi allorché fu recuperato dallo Shuttle e riportato a terra. I dati di volo venivano trasmessi a CESI giornalmente dal controllo di missione. Vista dall alto del dimostratore 22

23 I prodotti oggi 2010 Nome Tipo/tecnologia Ambito Efficienza Diodo di Note applicativo tipica protezione CTJ29% InGaP/InGaAs/Ge Spazio 29% AM0 Si, esterno In qualifica, LEO egeo CTJ28% InGaP/InGaAs/Ge Spazio 28% AM0 Si, esterno qualificato, LEO CSJ GaAs/Ge Spazio 20% AM0 N/A, burn in P su N, con ENE S.A. iniziale CTJV InGaP/InGaAs/Ge Spazio 26% AM0 Si, esterno Low grade CTJM InGaP/InGaAs/Ge Spazio 27% AM0 Monolitico Con epitassia Emcore CCTJ InGaP/InGaAs/Ge Terrestre (H- 35% AM1.5 Si, esterno Per CPVfino a 1000x. Test CPV) pre produzione in corso CESI è in grado di fornire anche wafers epitassiali o parzialmente processati con la struttura delle celle CTJ e CSJ. 23

24 L attività di nella Ricerca oggi Celle solari ottimizzate per missioni spaziali in ambienti LILT - Low Intensity Low Temperature (GIOVE) Celle solari per applicazioni in ambienti ad alta intensità ed alta temperatura HIT -High intensity and High Temperature (Missioni verso il Sole) Celle solari per l ambiente Marziano Celle solari a 4/5 giunzioni Celle a singola e doppia giunzione su wafers virtuali Si/Ge Celle solari a tripla giunzione su substrati sottili (<100 micron) 24

25 Contenuto La conversione fotovoltaica ed il GaAs Il CESI e la sua storia Il processo produttivo delle celle solari III-V La cella al GaAs per applicazioni spaziali CPV la nuova sfida 25

26 Raw materials MOCVD process Ge wafers MO SD KIP Produzione di celle al GaAs: Schema di flusso Raw materials Chemicals Solar Cell process BC FC SI TH CT TD CR MA AR CS EM KIP PA Test Incoming inspection Inspection Process Storage 26

27 STEP 1: La crescita epitassiale La produzione di celle a singola giunzione e a tripla giunzione del CESI si basa sulla tecnologia MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition) ed utilizza un reattore VEECO 450 Gold. La tecnologia di crescita epitassiale MOCVD permette, combinando opportunamente i precursori, di realizzare una varietà di materiali semiconduttori durante il medesimo ciclo di deposizione, con proprietà ottiche ed elettriche controllate AlAs GaAs AlInGaAs AlGaAs AlInGaP InGaP InP InGaAs 27

28 Il reattore epitassiale CESI TGA Robot Arm Entry Lock Reactor Glove Box Reattore MOCVD Veeco 450G Piatto porta substrati, in grado di ospitare 13 wafers di Ge da 100mm 28

29 Le tecnologia di fabbricazione MOCVD Esempio semplificato di deposizione del GaAs (reattore verticale) I reagenti (metallorganici ed idruri) in fase gassosa vengono trasportati sul substrato I reagenti vengono lì decomposti per effetto termico e danno luogo alla fase solida In Strato Confine (Boundary Layer) CH 3 Out H 2 Riscaldamento 29

30 Caratteristiche di un impianto di epitassia Epitassia = Ordinare sopra Gas carrier: Idrogeno ad altissima purezza Elevatissima purezza dei materiali precursori Precursori ad elevata tossicità Sicurezza!!! Sistemi da Vuoto Oil Free dimensionati per alte portate di Idrogeno Controllo accurato dell introduzione e della distribuzione dei gas di processo in camera di reazione Controllo accurato della temperatura e della sua distribuzione sul piatto porta substrati 30

31 STEP 2: Processi post growth Dal wafer alla cella solare Realizzazione delle griglie Deposizione dei contatti metallici sul fronte e sul retro Taglio del wafer Processi chimici di pulizia ed attacco Deposizione del rivestimento antiriflettente Misura delle caratteristiche Prove di accettazione Wafer epitassiale Cella solare n- Cont acts Monol ithic Diode n- Conta cts 31

32 Realizzazione delle griglie Mascheratura metallica Wafer epitassiale (GaAs) Mascheratura fotolitografica 32

33 Mascheratura per fotolitografia Stesura fotoresist Fotoresist Spinner Giunzione PN Cap di GaAs Substrato Ge Esposizione UV maschera Giunzione PN Cap di GaAs Mask aligner Substrato Ge Sviluppo Apertura rebbio Fotoresist Giunzione top Giunzione bottom Substrato Ge Cap di GaAs 33

34 Deposizione del contatto frontale Wafer con mascheratura fotolitografica Tecniche di deposizione: Evaporazione termica o da cannone elettronico (PVD) Sputtering (non applicabile a celle solari) galvanica (per dispositivi a basso costo) screen printing (per dispositivi a basso costo) Contatto frontale Metallo in eccesso Fotoresist Giunzione PN Substrato Ge Lift off rimozione meccanica o chimica della mascheratura Griglia 8 cells per wafer Giunzione top Giunzione bottom Substrato Ge 34

35 Deposizione del contatto sul retro Retro del wafer epitassiale (Ge) Tecniche di deposizione: Evaporazione termica o da cannone elettronico (PVD) Sputtering (non applicabile a celle solari) galvanica (per dispositivi a basso costo) screen printing (per dispositivi a basso costo) Lega per ottenere una bassa resistenza elettrica di contatto ed una buona adesione viene effettuato un processo ad alta temperatura (circa 400 C) 35

36 Deposizione del rivestimento antiriflettente Riflessione % R (%) No arc Cella solare 5% Darc lunghezza d'onda (nm) Cella solare Il rivestimento antiriflettente, oltre a diminuire la perdita per riflessione, protegge la cella solare nel periodo di immagazzinamento 36

37 Taglio del wafer Scribing solo per celle al GaAs Dicing saw Per tutti i tipi di celle solari Laser per celle al silicio 8 cells per wafer 37

38 60 Misura delle celle solari Spettro solare a diverse am 50 AM0 2 ) m (W / w e r P o AM1.5 AM2 10 AM wavelength (um) Parametri elettrici tipici di una cella solare a singola giunzione (AM0, mw/cm 2, 25 C, bare cells) Open circuit voltage (Voc): 1024 mv Short circuit current (Jsc): 32 ma/cm 2 Pm 896 mv Pm 30 ma/cm 2 Fill factor: 0.81 Efficiency: 19.5% dvpm/dt: dimp/dt: -2.0 mv/ C ma/cm 2 / C CURRENT (A) I P VOLTAGE (V) 38

39 Contenuto La conversione fotovoltaica ed il GaAs Il CESI e la sua storia Il processo produttivo delle celle solari III-V La cella al GaAs per applicazioni spaziali CPV la nuova sfida 39

40 Satelliti in orbita alla fine del 2008 Satelliti GEO: 1 2& ' 34- Satelliti LEO: 1 5 ' & - &' Russia 11% China (PR) 5% India 2% Japan 4% Satelliti in orbita LEO tot 452 MULTINATIONAL Satelliti GEO in orbita tot 300 EUROPA 14% USA 64% SUD AMERICA USA EUROPA AFRICA Altri India Russia Japan China (PR) ASIA (stati minori) From: UCS Satellite database 40

41 Il mercato dei Satelliti: 120 satelliti/anno (2008) Earth Observation satellites Il mercato è stabile dal 2003 nel 2007 e 2008 è stato osservato un significativo incremento del 10% su base annua Nuovi paesi emergenti hanno oggi le capacità di fruire di questa risorsa In particolare, Cina ed India hanno incrementato le spese verso lo spazio (25 sat/anno nel 2007 rispetto ai 9 sat/anno del 2006) Privati 19% Militari/dual use 11% Emerging countries civili 34% USA civili 20% EUROPE civili 16% Dato Euroconsult

42 Le celle al GaAs nello spazio Perché?! " # Si 18.5% $ % $ & $ & ' $ ( % ( () (# GaAs 27% $ % $ & *+,&*+ - $./

43 La normativa di riferimento ""-0 "& & ""34005" ""34006'( &( &( 7 43

44 CTJ28% LEO Qualification - Bare cell Source: ECSS E20-08A 44

45 Le celle a multigiunzione basate sui composti III-V Cella GaInP Diodo tunnel Griglia AR N + GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N + -GaInP Base: P -GaInP BSF: P + -AlInGaP TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -InGaP AR QExt, QInt, Refl, abs.units QExt QInt :8 : QExt QInt QExt : Reflectance Cella InGaAs Diodo tunnel Cella Ge Window: N + AlGaAs Emitter: N + -InGaAs Base: P-InGaAs Buffer: P + -InGaAs TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -GaAs Window: N + -AlInP Emitter: N -InGaP Substrate: P -Ge Contatto Wavelength, nm!. &

46 Caratteristica I-V delle celle solari CESI CTJ28% I-V curve AM0 CTJ solar cell Current (ma) Isc = 483 ma Voc = 2.58 V FF = 0.85 Eff. = 29.6% area = 26.5 cm Voltage (V) 46

47 Celle CTJ-Distribuzione in classi di efficienza Efficiency distribution of CTJ solar cells Class 28% Class 26% 3500 Cell size 26.5 cm Counts CTJ28% η class = 28% più di 10,000 celle prodotte Custom design possible >20.0 >21.0 >22.0 >23.0 >24.0 >25.0 >26.0 Efficiency class >27.0 >28.0 >29.0 >

48 CESI CTJ28% risultati di qualifica celle nude ""#("()"*! + Una qualifica formale per l orbita LEO è stata condotta nell ambito del programma ASI MIO-SAT La normativa di riferimento è il documento ECSS-E La qualifica ha riguardato sia le celle nude di area 26.5 e 30.18cm2 che le SCA corrispondenti con diodo di protezione esterno. Isc (A) Voc (V) Eff (%) maximum minimum average ! "" Jsc/ T Voc/DT Pm/DT (ua/cm 2 / C) (mv/ C) (mw/cm 2 / C) # $%&&' ' Pull force avarage value (g) Pull force minimum value (g) Pull force maximum value (g) Front metal Rear metal th EU PVSEC Hamburg, September 22nd

49 CTJ28% Qualifica LEO /Celle nude &'&$,-. Isc (A) Voc (V) Eff (%) maximum minimum average Round Robin results, average differences Isc Voc Pm CESI/Selex -0.4% -0.2% 0.8% CESI/Spasolab 1.0% -0.6% 0.0%..,'- Fluence Isc Voc Pm (e/cm 2 ) 1.0 E E RPF RPF ### ( $,! //"/"0 12 RPF RPF SPECTROLAB 0.96 SPECTROLAB 0.94 EMCORE 0.94 EMCORE 0.92 AZUR 0.92 AZUR CESI CESI E E E E E E+15 equivalent fluence (e/cm2) equivalent fluence (e/cm2) 49

50 CTJ28% Risposta spettrale BOL EOL 5x10 14 e - /cm 2 Cella TOP Cella MIDDLE Cella BOTTOM 50

51 Il processo di integrazione dei pannelli Celle nude Saldatura o puntatura CiCs Vestizione delle celle Interconnettori Vetrini Coverglassing SCA Misura SCA e formazione delle stringhe Laydown dei pannelli SCA Saldatura o puntatura delle stringhe Pannelli Stesura della resina di incollaggio Cavi e altri componenti Incollaggio, collegamenti e test finali 51

52 Le celle CESI nello spazio Cosmo-Skymed: 3 satelliti lancio 2007 ( celle TJ) DMC Sat. lancio 2003 MITA lancio nel

53 Substrato a maglia Kanopus B1 satellite 1 Dati del pannello solare Parameters SC type SA dimensions (mm) Data CTJ26 and CTJ No of panels in SA 6 in two wings Type of support for SC mesh SC area in SA (m 2 ) 4.91 Support filling 0.91 coefficient SA Power (W) 1293 Specific Power ( W/m 2 ) Equilibrium operating temperature ( C) *power at fixed bus voltage of 43V 263.2* 60 ±1 1 Presented at 24th EU PVSEC Hamburg, September 22nd

54 Substrato a maglia - Kanopus B1 I test a terra I test hanno avuto esito positivo 1 Presented at 24th EU PVSEC Hamburg, September 22nd

55 Sviluppi futuri Tappe Miglioramento delle prestazioni EOL delle celle CTJ CTJ30% (end 2010) Celle solari > 3 J (dal 2011) Modalità Ottimizzazione EOL delle celle Top e Middle EOL Introduzione di riflettori Bragg nella cella Middle Ottimizzazione dell Eg nella cella Middle Cella Top con AlInGaP (Al<8%) Cella top con AlInGaP (Al>10%) )7( 87( ) Substrati sottili ISO-efficiency (AM0) 2 IMM??? Celle < 80 micron ( ) Strategie alternative di protezione delle celle solari Obiettivo: strutture flessibili/gonfiabili ] V p [e ga d n a b e l b c u p s to middle subcell bandgap [ev] 7( 87( )

56 Space Road Map Efficiency (%) CTJ 29% InGaP InGaAs CTJ 30% (Al)InGaP InGaAs CTJ 31% (Al)InGaP InGaAs > 3J 32% (Al)InGaP InGaP (Al)InGaAs Thickness InGaAs Ge Year Average Efficiency >28% >29% >30% >31% Reverse protection External diode Monolithic shunt External diode On/Off switch Thickness (µm) Ge Ge Ge 56 Production capacity (nr cells/year area 30 cm2)

57 CTJ29% cells- end 2009 New class of of InGaP/InGaAs/Ge solar cells with improved structure (patented design) IV curve CTJ 29 AM0 25 C 1 MeV electron irradiation..,'- Fluence Isc Voc Pm (e/cm 2 ) 1.0 E E Qualified CTJ28% Current (ma) Isc=483 ma Voc=2.606 V Eff.=30.1% Area= 26.5 cm Voltage (V) Fluence Isc Voc Pm (e/cm 2 ) 1.0 E E CTJ 29% 57 Pavia, Commercial 14 in confidence Aprile 2010

58 Un metodo di protezione alternativo per le celle solari III-V Le celle MJ devono essere protette individualmente. Invece di un diodo, perché non ipotizzare di usare un interruttore comandato dalla corrente di cella? ( - - / " - ( 1/ 2 3" ( - ( CESI Patent /3/

59 Shunt - protected solar cells (I) The advantages are: reduced drop in the string voltage solar cells do not reach the reverse bias condition This solution could be monolithically integrated on each type of solar cell (no need of crop corner, also small area device) I shunt Solar cell Switch voltage V CESI Patent /3/

60 Shunt - protected solar cells (II) Simpler monolithic form: a calibrated shunt resistance is parallel connected to the solar cell this concept was tested on TJ solar cells for reverse currents up to 0.3*Isc I 0.3 Isc shunt Solar cell Decrease in solar cells average efficiency from 28% to 25% V CESI Patent /3/

61 Shunt - protected solar cells (III) The decrease in cell efficiency is balanced by the better packing factor shunt (redundancy) shunt Advantages: Suitable for small solar cells Redundancy: in case the cell breaks along the combs, both parts are still protected Very low added costs CESI Patent /3/

62 Contenuto La conversione fotovoltaica ed il GaAs Il CESI e la sua storia Il processo produttivo delle celle solari III-V La cella al GaAs per applicazioni spaziali CPV la nuova sfida 62

63 Il Vantaggio del CPV L area in rosso rappresenta l estensione di GaAs necessaria per convertire con la tecnologia CPV la stessa potenza di un impianto FV al Silicio piano che occupa l intero campo di calcio (in bianco) Nei sistemi a concentrazione si sostituisce l area di semiconduttore (costosa) con ottiche (di costo inferiore) che concentrano la radiazione solare su celle molto piccole. 63

64 Un migliore uso dello spettro: i semiconduttori III-V 64

65 Le celle a multi giunzione III-V Terrestri Unicità: sono state dimostrate efficienze sul singolo dispositivo del 41%, con possibilità di arrivare al 50%. Nessun altra tecnologia offre queste potenzialità. Ipotizzando di convertire al terrestre le linee produttive (per lo spazio), già ora si ottiene una capacità teorica complessiva, riferita al terrestre di circa 0.5GW/anno (@500x). Tecnologia del Ge 6 oggi in sviluppo per linee di produzione dedicate al CPV L industria PV scommette sulla possibilità di portare il costo del kwh CPV alla Grid Parity. La tecnologia dei composti III-V è la sola che mostra una crescita costante di prestazioni nell arco di 30 anni 65

66 I due approcci alla concentrazione terrestre Celle solari CESI a singola e doppia giunzione per sistemi dicroici (USW, U.Delaware; in Italia Angelantoni Industrie; C-Power) Dicroic filter Sun light Fresnel lens Cella solare InGaP Cella solare GaAs Celle solari a doppia e a tripla giunzione per concentratori classici (Point Focus tipo Sol Focus, Isofoton o Dense Array, tipo Solar Systems Pty) f Cella solare InGaP/GaAs 66

67 Verso una cella TJ Terrestre Il percorso per giungere ad un dispositivo adatto alla concentrazione terrestre, a partire dalla cella Spazio è passato attraverso l ottimizzazione dei seguenti parametri: Spessore della cella top Band gap della cella top Densità di corrente del Diodo tunnel Griglia di raccolta AR Grid N + -GaAs Window: N + -AlInP AR Top cell Top tunnel diode Emitter: N + -GaInP Base: P -GaInP BSF: P + -AlInGaP TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -InGaP Window: N + -AlGaAs Middle cell Emitter: N + -InGaAs Base: P-InGaAs Buffer: P + -InGaP Bottom tunnel diode TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -GaAs Window: N + -AlInP Bottom cell Buffer: N-InGaAs Emitter: N -InGaP Substrate: P -Ge Contact 67

68 Diodi Tunnel tipo Spazio 515 soli Alle alte densità di portatori i diodi Tunnel non lavorano 68

69 Il diodo tunnel è estremamente sensibile alle condizioni di crescita epitassiale! Mappatura della corrente di picco del diodo tunnel bottom su wafers da 100 mm Peak current (A/cm2) S x (cm) S10 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 S y (cm) Peak current (A/cm2) S x (cm) S10 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 y (cm) S Peak current (A/cm2) x (cm) S10 S9 S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 y (cm) peak current (A/cm2) time (sec) Theoretical experimental La corrente di picco del diodo tunnel Degrada in funzione del tempo che permane nel reattore alla temperatura di crescita, principalmente per diffusione dei droganti. Gori et al. 23rd EPVSEC

70 Cella solare epitassia CESI Cella solare CESI a tripla giunzione InGaP/GaAs/Ge 1000 SOLI!!!!! Jsc (A/cm2) 10 Voc (V) 3.01 FF 0.88 Eff (%) 32 Il wafer funziona a 1000 soli su oltre il 90% dell area La struttura deve ancora essere ottimizzata in funzione dello spettro incidente E in corso il test dei parametri elettrici presso un laboratorio indipendente (ISE) 70

71 Celle per CPV: Griglia di raccolta!" 71

72 Esempi di celle per concentrazione Wafer da 100 mm 2 prima del taglio Alcune celle (area attiva) 7 mm 2 : applicazioni point focus 100 mm 2 : dense array o point focus Potenza ottenibile dalle dalle celle celle prodotte in in un un singolo run runmocvd --carico: carico: 13 13wafers celle celle da da 1 cm cm 2 2 per per wafer wafer - - = 35% 35% circa10 kwp al al netto della della resa resa di di processo 72

73 Qual è lo spettro più adatto per una cella CPV? %, NREL/CP (2003) 73

74 Celle solari CESI - ottimizzazioni custom CESI dispone dei modelli matematici per l ottimizzazione della cella solare in funzione del tipo di modulo a concentrazione : struttura della cella in funzione dello spettro effettivo incidente Grid griglia di raccolta rispetto alla forma del fascio Griglia fattore di concentrazione AR N + -GaAs Window: N + -AlInP AR Top cell Top tunnel diode Emitter: N + -GaInP Base: P -GaInP BSF: P + -AlInGaP TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -InGaP Window: N + -AlGaAs Middle cell Emitter: N + -InGaAs Base: P-InGaAs Buffer: P + -InGaP Bottom tunnel diode TD: P ++ -AlGaAs TD: N ++ -GaAs Window: N + -AlInP Bottom cell Buffer: N-InGaAs Emitter: N Substrate: P -Ge Contact 74

75 Misura e test di accettazione Sulle celle solari CPV la normativa è ancora incompleta. I test di accettazione sono mutuati dalla normativa spazio e dalla IEC per i moduli CPV Le misure delle caratteristiche I-V vengono effettuate da 1 sole fino a 1200 soli usando un simulatore solare flasher su tutte le celle solari del lotto di fornitura. Test di accettazione standard: visual inspection (100% del lotto) metal and coating adhesion (a campione) humidity test (a campione) thermal cycling (a campione) Possibilità di introdurre test aggiuntivi su specifica del cliente Informazioni addizionali sulla qualifica: coefficienti di temperatura in concentrazione risposta spettrale curva efficienza vs fattore di concentrazione 75

76 Esempi di Soluzioni CPV " ;8(<! " -01 = " GaAs Da: ENEA 76

77 Sistemi HCPV Solfocus: sistema 1100S 25% efficienza Da:SolFocus Inc 77

78 Sistemi HCPV Celle a multigiunzione 37% efficienza media Efficienza a livello di sistema: 25% Potenza nominale 53kW Occupazione del suolo: 2Ha per MW Design lifetime: 40 anni!! Da:Amonix Inc Amonix HCPV

79 Flatcon Concentrix Solar Sistemi HCPV 79

80 Contributi all efficienza dei sistemi CPV basati sulle celle III-V Efficienza delle celle solari: 35-38% Trasmissione delle ottiche: 80-83% Interconnessione dei moduli: 95-97% Tracking: 95-98% Inverters: 95-97% Efficienza di sistema: 24-28% 80

81 Costi delle celle solari Celle per lo spazio: una cella da 30 cm 2 costa oggi mediamente 220 $ (~7.2 $/cm 2 ) con il 75% di utilizzo del wafer epitassiale. Celle per sistemi in concentrazione: l utilizzo del wafer può arrivare al 90%, si è iniziato a produrre su Ge 6 la proiezione sul prezzo per grandi volumi è di 4-6$/cm 2. Cell Cell manufacturing manufacturing 27% 27% Ge Ge 21% 21% Epitaxy Epitaxy 52% 52% #"$ 81

82 Crescita attesa del mercato FV terrestre Considerando un fattore di concentrazione di 500X e un efficienza di 35%, ogni MWp messo in campo richiede 1700 wafers epitassiali (4 ) L attuale capacità produttiva risulta insufficiente CPV Market Installed Power (MWatt) Years FV Market PV installed power (MW) CPV portion (MW) Installed Power (MWatt) Years From: CPV summit Madrid

83 Il mercato terrestre 83

84 Incremento di prestazioni atteso nel CPV OGGI efficienza di cella: 39-41% efficienza di sistema: 22-25% 2030 Efficienza attesa di dispositivo: 50% Efficienza attesa a livello di sistema: 40%!!! %&'()*+ ", 84

85 Produzione di Energia attesa annua da CPV e costo del sistema chiavi in mano Se a fronte del miglioramento delle prestazioni di sistema si avrà una riduzione dei costi sui materiali e sui processi di produzione la tecnologia CPV potrà affermarsi. Occorre colmare i vuoti normativi ancora esistenti e reperire risorse economiche ed umane da impiegare nello sviluppo tecnologico %&'()*+ ", 85

86 Conclusioni Entro il 2010 CESI qualificherà la nuova generazione di celle solari a tripla giunzione spazio CTJ29% con efficienza media 28.5% (1 punto in più rispetto alla generazione 2009) Le celle solari CESI per applicazioni HCPV possono lavorare fino a fattori di concentrazione 1000x con efficienza prossima al 35% AM1.5D. L attuale capacità produttiva della linea rimane attestata a wafers/anno su 3 turni (al netto delle rese di processo, interruzioni per guasti, manutenzioni e attività di ricerca e sviluppo del prodotto). Se l intera produzione fosse indirizzata sul CPV (celle 1x1 cm, 500x, 35%) in termini di potenza, CESI è in grado di coprire circa 20 MWp/anno. 86

87 Le prossime tappe SPAZIO Miglioramento delle prestazioni delle celle per lo spazio, verso la classe di efficienza 30% Qualifica in orbita GEO delle celle CESI TERRA Ottimizzazione della struttura CPV verso il 40% di efficienza Problematiche legate al funzionamento dei dispositivi il campo (funzionamento a lungo termine, integrazione su ricevitori/saldabilità dei dispositivi, ciclatura termica, effetti ambientali ) 87

88 Ringraziamenti &$" 0 #" 3! # 3 # 3 " 3,"# / 88