Alessio Bosio. Università di Parma

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1 ITALY CHAPTER ITALY SECTION Convegno su: Tecnologie, tecniche impian5s5che e mercato del fotovoltaico 15 o;obre 2012 Tecnologie a film soale per BIPV Alessio Bosio Università di Parma

2 Sommario Perché i film sottili? Quali materiali? Il nostro contributo Sviluppi futuri Conclusioni

3 Perché i film sottili? Moduli Fotovoltaici Wafer Film sottili Si Crist. Si poli Si amorfo e microm. CdTe/CdS CuGaInSe 2 /CdS

4 Perché i film sottili?

5 Perché i film sottili? Sviluppo temporale delle diverse tecnologie Mercato attuale e/o previsto delle diverse tecnologie (inizio-fine) Tecnologia PV Generazione PV Tempo previsto dall entrata nel mercato al declino Silicio Cristallino Silicio Amorfo Silicio a film sottile CdTe CIS/CIGS DSC DSC ibrido Organico ibrido }? Biologico

6 Perché i film sottili? Le celle solari fatte con i mono e policristalli (Si, GaAs) hanno raggiunto in laboratorio efficienze vicine al limite teorico. I moduli PV dei materiali cristallini sono rigidi o semirigidi e male si adattano all integrazione architettonica. Moduli PV in commercio stentano ad avere un prezzo di vendita competitivo con l energia elettrica ottenuta dai combustibili fossili (Grid-Parity) Le celle innovative di 3 generazione sono ancora in uno stadio di sviluppo (efficienza e stabilità).

7 Perché i film sottili? Nelle celle solari a film sottili la quantità di materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella usata per i moduli cristallini (ed è una parte trascurabile del costo totale). L integrazione monolitica in serie delle celle direttamente nel processo produttivo permette il raggiungimento di yeld molto alti (un modulo al minuto). Si possono utilizzare substrati facilmente integrabili in edilizia (lamine metalliche flessibili, polimeri, ceramiche). Si prevede di raggiungere più facilmente la grid-parity (NREL- Ken Zweibel- 2007).

8 Perché i film sottili?

9 Perché i film sottili? Tre tipi di celle solari a film sottili sono oggi considerati per la produzione Silicio amorfo: α-si, efficienza massima 13.4% CuGaInSe 2 /CdS, efficienza massima 20.4% CdTe/CdS, efficienza massima 17.3% La più facile da portare in produzione è la cella CdTe/CdS perché vengono usate tecniche semplici, veloci e scalabili per depositare i film sottili che compongono la cella.

10 Quali materiali? Consideriamo i materiali con efficienze più alte (laboratorio) Celle solari a film sottili policristallini CIGS è Cu(InGa)Se2 ZnO, ITO 2500 Å CdS 700 Å CIGS µm CdTe Glass ITO/ZnO,SnO µm CdS Å CdTe 2-8 µm Mo µm Glass, Metal Foil, Plastics Back-contact Buffer+Mo

11 Quali materiali? Il CIGS, nella composizione CuIn 0.8 Ga 0.2 Se 2, è un materiale con una gap diretta di 1.25 ev, vicino al massimo teorico della conversione fotovoltaica dell energia solare. Ha il coefficiente di assorbimento più alto rispetto a qualsiasi semiconduttore conosciuto e una lunghezza di diffusione di 1μm. Basta 1μm di materiale per assorbire più del 90% della luce solare. Inoltre, cresce colonnare e ha i bordi di grano auto-passivati che non influiscono sul funzionamento del dispositivo. Queste qualità hanno permesso di ottenere un efficienza del 20.4% confrontabile con quella del Si cristallino.

12 Quali materiali? Substrato à C η = 20.4% Cu In Ga Se Vuoto

13 Quali materiali? Su una piccola area à efficienza del 20% su grandi aree à efficienza 12-13% (evaporazione da più sorgenti) disuniformità su grandi aree Moduli di piccola dimensione ad alta efficienza (Showa Shell Minimodulo 30 x 30 cm2 à 18%) Queste celle sono probabilmente le più promettenti, ma richiedono ancora una fase di sperimentazione per poter arrivare a grosse produzioni.

14 Il nostro contributo DC/ RF Sputtering DC/ RF Sputtering CuInSe 2 (CIS) CIS + Ga 2 Se 3 + Cu Cu(In,Ga)Se 2 (CIGS)

15 Il nostro contributo Morfologia del precursore Morfologia dopo la selenizzazione

16 Il nostro contributo Superficie ceramica grezza

17 Il nostro contributo Ceramica + CIGS In queste condizioni 8-10% di efficienza

18 Il nostro contributo Risultato ottenuto su piastrelle di ceramica smaltate. Lo SMALTO altro non è che una superficie di vetro soda-lime.

19 Sviluppi futuri Pacchetto completo per l industrializzazione del processo: Integrazione in serie mediante laser scribing effettuato dalla parte dei film. Laser a cristallo fotonico a impulsi brevi: ps o fs.

20 Sviluppi futuri Il processo e la formazione del (CIGS) sono sta< breve?a<

21 Sviluppi futuri Pacchetto completo per l industrializzazione del processo: Controllo della concentrazione di Ga all interno del film di CIGS. Architettura della giunzione controllando il profilo delle bande di energia.

22 CONCLUSIONI Tecnologia CIGS ha portato a efficienze del 20.4% Innovazioni portate dal gruppo ThiFiLab dell Università di Parma (sputtering e selenizzazione) implicano la fattibilità industriale a livello di produzione massiva di moduli di grandi dimensioni (> 1m 2 ). Tecnologia sperimentata con successo (efficienza >14%) su piastrelle di ceramica di tipo commerciale. Moduli PV direttamente integrabili nelle pareti degli edifici (pareti ventilate). Progetto di Industria 2015.

23 Grazie dell a?enzione