FILM SOTTILE QUALI I VANTAGGI? Le differenze tra la tecnologia > FV TESTATI E PROVATI PER VOI

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1 > FV TESTATI E PROVATI PER VOI FILM SOTTILE QUALI I VANTAGGI? A CURA DI GABI FRIESEN E IVANO POLA ISAAC QUANTUNQUE OCCUPI ANCORA UNA PICCOLA FETTA DI MERCATO, LE PREVISIONI INDICANO UNA FORTE CRESCITA PER IL FILM SOTTILE NEI PROSSIMI ANNI. SI TRATTA DI UNA TECNOLOGIA IDEALE PER L INTEGRAZIONE E CHE PUÒ AVERE PRESTAZIONI E RESE ENERGETICHE ANCHE SUPERIORI AL SILICIO CRISTALLINO, COME DIMOSTRANO LE MISURE EFFETTUATE AL LABORATORIO ISAAC DI LUGANO Le differenze tra la tecnologia a film sottile e quella cristallina sono molteplici, specialmente per quanto concerne i processi di fabbricazione dei moduli e le caratteristiche strutturali e le proprietà elettriche delle celle che li compongono. Una particolarità rilevante della tecnologia a film sottile è lo spessore delle celle. Questo risulta estremamente piccolo, soltanto di qualche micron (millesimo di millimetro), ovvero 200, 300 volte meno rispetto alle celle al silicio cristallino standard. Esteticamente le differenze offerte dalle due tecnologie sono pure importanti. Nel caso dei film sottili le celle occupano quasi interamente il modulo con una colorazione omogenea su tutta la superficie. Le tecnologie principali che compongono la famiglia a film sottile so- 74 FV FotoVoltaici 1/2008

2 no tre: silicio amorfo (a- Si), tellurio di cadmio (CdTe) e diseleniuro di indio e di rame (CIS). La tecnologia al silicio amorfo è quella per cui è stata ottenuta la maggiore esperienza sia per quanto riguarda i processi produttivi sia per le realizzazioni d impianti. I moduli a film sottile ricoprono tuttora un ruolo marginale sul mercato mondiale. Nel 2006 la produzione di celle contava un contributo limitato per le celle a film sottile, come rappresentato in Figura 1: a-si 4,7%, CdTe 2,7% e CIS 0,2% (totale: 7,6%). Tuttavia le previsioni di crescita e le prospettive future per questa tecnologia sono molto promettenti: per il 2010 si stima per i film sottili più del 20% del mercato PV mondiale. Questo aumento si spiega coi tanti vantaggi che la tecnologia a film sottile - comunemente chiamata con la terminologia inglese thin-film - offre rispetto alla classica al silicio cristallino: minor costo al metro quadro, migliore resa energetica a parità di potenza installata, comportamento termico favorevole, flessibilità, miglior fattore estetico. MINOR COSTO Nel caso della tecnologia a film sottile, i costi di produzione sono piuttosto contenuti visti il basso consumo di materiale e l economicità dei processi di produzione. Di fatto le tecniche di produzione di celle thin-film utilizzano minime quantità di materia prima sotto forma di gas, per i quali l approvvigionamento non rappresenta un problema. La tecnologia thin-film rappresenta quindi chiaramente una soluzione interessante in quanto non vin- colata al silicio di grado solare (elemento di base indispensabile e richiestissimo dalla tecnologia al silicio cristallino). Questo porta a dei prezzi al metro quadro per i film sottili generalmente vantaggiosi rispetto a quelli offerti dalla tecnologia cristallina. MIGLIORE RESA A PARITÀ DI POTENZA La ragione per la quale i film sottili presentano generalmente una migliore resa energetica a parità di potenza installata rispetto al cristallino è data essenzialmente dalle minori perdite di potenza ad alte temperature e migliori rese energetiche a bassi irraggiamenti. In Tabella 1 è riportato un confronto tra le tecnologie thin-film e quelle in silicio cristallino relativo a diversi aspetti: efficienza, spazi occupati per potenza installata e perdite in potenza per grado di temperatura. Le perdite in potenza per grado di temperature per la tecnologia a-si e CdTe sono tipicamente la metà rispetto alla tecnologia al silicio cristallino. Tanto per fare un esempio, una perdita di potenza (relativa alla potenza a 25 C) per un modulo amorfo a 65 C corrisponde a quella per un modulo cristallino ma a soli 45 C. IDEALI PER L INTEGRAZIONE I processi di fabbricazione della tecnologia thin-film permettono la deposizione direttamente su vetro. Il risultato è dato da moduli con colorazione omogenea su tutta la superficie e con possibilità di semitrasparenza. L esempio tipico è rappresentato dai moduli al silicio amorfo dove si ottiene un grado di trasparenza omogeneo del 10% circa. Tecnologia Tabella 1. confronto tra tecnologia film sottile e silicio cristallino (efficienza, occupazione, perdite termiche). * Fonte: Photon, febbraio ** Valori calcolati per delle efficienze tipiche (vedi valore in parentesi). ***Valori tipici misurati presso il laboratorio ISAAC. 43,4% a-si CdTe CIS ribbon-sheet c-si mono c-si poly c-si Efficienza moduli in commercio [%]* Spazio occupato [m 2 /kw]** 0,2% 4,7% 2,7% 2,6% Perdite in potenza per grado [%/ C] *** silicio amorfo 3-7% 16,1 (eff=6,2%) -0,21 CIS 5-11% 9,7 (eff=10,3%) -0,36 CdTe 6-10% 12,0 (eff=8,3%) -0,21 silicio cristallino 12-19% 7,7 (eff=13,0%) -0,45 46,5% Figura 1. Produzione mondiale di celle nel Fonte: Photon International, Marzo FV FotoVoltaici 1/

3 > FV TESTATI E PROVATI PER VOI Questi sono ideali per locali dove ombre con forti contrasti non sono indicate, per esempio uffici e scuole. Questo risultato non è invece ottenibile con moduli semitrasparenti cristallini (celle standard al silicio cristallino laminate in struttura vetro-vetro). Per di più, lo strato estremamente sottile permette la fabbricazione di elementi FV flessibili e quindi adattabili a superfici curvilinee, spesso proposte nelle architetture moderne. MAGGIORE SUPERFICIE A PARITÀ DI POTENZA Nel caso di installazioni con limiti di spazio, la tecnologia thin-film non è ideale in quanto i bassi valori di efficienza limitano la potenza del sistema. Come riassunto nella Tabella 1, i moduli commerciali thinfilm presentano valori di efficienza inferiori ai cristallini. Di conseguenza è necessaria una superficie maggiore, a parità di potenza installata, per i moduli thin-film rispetto ai cristallini. Per quanto riguarda la stabilità nel tempo, tipicamente gli impianti al silicio amorfo presentano un degrado simile a quello osservato per il silicio cristallino, ossia attorno all 1% (relativo) all anno dopo il periodo di stabilizzazione iniziale. Un esempio di ottima stabilità nel tempo è mostrato in Figura 2, dove è riportato l andamento del rendimento (PR) di un impianto amorfo a tripla giunzione (moduli Canon) installato presso l istituto ISAAC. Per i moduli CIS e CdTe, per i quali è stato però ef- Figura 2. Rendimento su lungo periodo per impianto 0,5 kw amorfo a tripla giunzione (moduli Canon). Fonte: Photon International, marzo Le prospettive per il film sottile sono molto promettenti: per il 2020 si stima più del 20% del mercato fv globale Figura 3. Impianto da 15,36 kwp (moduli Sarnasol: Unisolar + Sarnafil) integrato e isolato termicamente su tetto piatto del Centro Professionale di Trevano (Canton Ticino, Svizzera). 76 FV FotoVoltaici 1/2008

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5 > FV TESTATI E PROVATI PER VOI fettuato un numero minore di studi, la stabilità risulta essere molto simile. Non da ultimo, il tempo di vita dei moduli thin-film è garantita tipicamente per 25/30 anni, come nel caso dei cristallini. IMPIANTO A-SI (SILICIO AMORFO) Nell ambito di un progetto pilota seguito dall ISAAC è stato realizzato e monitorato un impianto al silicio amorfo (moduli Unisolar laminati su membrana Sarnafil) integrato e isolato termicamente su tetto piano. Il risultato principale è rappresentato da una produzione annuale, nonostante le perdite dovute all installazione quasi orizzontale, di kwh/kwp (01/ /2006, Lugano), dato decisamente positivo se paragonato alla media di kwh/kwp degli impianti c-si installati in Ticino. Questo si spiega con i vantaggi citati in precedenza e grazie alle alte temperature (fino a 80 C) raggiunte in estate dall impianto (insolazione termica). Infatti, queste hanno permesso lo sviluppo di un processo di rigenerazione nelle celle al silicio amorfo processo ben noto ai ricercatori e definito annealing che comporta un recupero verso l efficienza iniziale. L analisi dettagliata eseguita all ISAAC ha permesso di attribuire a questo effetto di rigenerazione un aumento nella resa energetica annuale (kwh/kwp) superiore al 7%, rispetto a un impianto simile ma privo d insolazione termica. MODULI CDTE (TELLURIURO DI CADMIO) I test eseguiti presso il laboratorio di prova dell ISAAC, hanno mostrato che i moduli al CdTe, in questo caso dei moduli prodotti da First Solar, hanno una resa energetica, a parità di potenza acquistata, superiore dal 2 al 9% a quella dei moduli tradizionali al silicio cristallino, indipendentemente se mono- o multi-cristallino. L unico modulo, tra i 10 testati, ad avere una resa simile è stato un modulo ibrido, cioè un modulo al silicio monocristallino combinato a un strato di silicio amorfo. Difatti, come il CdTe, la tecnologia cosi detta HIP, vanta un coefficiente di temperatura inferiore a quello dei moduli cristallini tradizionali, cioè delle perdite minori per grado di temperatura del modulo, cosi come una resa maggiore a bassi irraggiamenti % % energia prodotta in un anno a Lugano [kwh/a*w] % -6% -5% -4% -3% -2% -1% differenza di resa energetica annuale [%] 1.00 FS-60 (CdTe) HIP-180NE1 PV-MF130EA2LF energia prodotta modulo CdTe KC125GHT-2 IBC-215S NT-175E1 energia prodotta moduli c-si STM210F STP SW165 MHH plus 220 ASE-165-GT-FT differenza di produzione in confronto al modulo CdTe 0% Figura 4. Confronto dell energia prodotta in un anno di sperimentazione al Laboratorio ISAAC di Lugano da moduli in telluriuro di cadmio e 10 diversi tipi di moduli in silicio cristallino. Il laboratorio testa due moduli per tipo: il numero non permette una valutazione statistica, ma rappresenta dei campioni selezionati a caso dai moduli immessi sul mercato. La differenza di produzione è espressa in precentuale; l energia in kwh/kwp. Fabbricante Modello Tecnologia cella First Solar FS-60 CdTe Sanyo HIP-180NE1 HIT Mitsubishi PV-MF130EA2LF multi c-si Kyocera KC125GHT-2 multi c-si IBC IBC-215S multi c-si Sharp NT-175E1 mono c-si Sunpower STM210 F mono c-si (back contact cells) Suntech STP multi c-si Solarworld SW165 multi c-si MHH MHH plus 220 multi c-si RWE ASE-165-GT-FT/MC multi c-si 78 FV FotoVoltaici 1/2008