Concentration PV system based on

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1 Dipartimento di Fisica Università di Ferrara Concentration PV system based on spectral splitting of solar radiation Prof. Giuliano Martinelli Cagliari, 23 Ottobre 2008

2 Sensor and Semiconductor Laboratory Responsabile: Giuliano Martinelli Maria Cristina Carotta, Vincenzo Guidi, Cesare Malagù, Michele Benetti, Alessio Giberti, Maria Angela Butturi, Marco Nagliati, Andrea Antonini, Marco Stefancich, Beatrice Vendemiati, Marco Piga, Sandro Gherardi, Mirco Blo, Paolo Zurro, Alex Zanni, Elena Ferrari, Moira Buzzolani, Ergisto Angeli, Luciano Milano, Andrea Magnani Dipartimento di Fisica Universita` di Ferrara Via Saragat, 1/C Side B, Room FERRARA tel

3 Technology Reattori atmosferici per drogaggio ed ossidazione dei wafer di silicio Reattore LPCVD per ossidazione e nitrurazione di wafer di silicio PVD da sorgenti termiche ed e-gun Linea di fotolitografia Wet benches Plasma etcher Probe station Ellissometro Serigrafia Forni UV, IR e a muffola

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6 ENERGIA E POTENZA Un ciclista è in grado di sviluppare 100W di potenza, anche con continuità, per lungo tempo. 100W è la potenza utilizzata da una normale lampadina ad incandescenza. Se però è fermo, il ciclista non eroga la potenza di cui dispone. Dieci ciclisti in moto forniscono 1kW di potenza. In un ora forniscono 1kWh di energia. La potenza del ciclista è la sua capacità di sviluppare energia nel tempo.

7 Perché la concentrazione?

8 Consumo di energia elettrica in Italia (source: Energy autority, 2006) MWh Courtesy of

9 Capacità produttiva mondiale di polysilicon source:

10 PRODUZIONE ANNUALE DI POLYSILICON (FEEDSTOCK) NEL MONDO (2005): Ton CONSIDERAZIONE: Poiché con la tecnologia attuale servono 10 Ton per fabbricare 1 MW significa che se per assurdo si facesse solo PV (eliminando l industria elettronica!) si potrebbero ottenere 3000 MW. Ipotizzando 1000 MWh / anno da ogni MW installato, si raggiungerebbero appena 3 milioni MWh/anno vale a dire che tutto il polysilicon mondiale fornirebbe meno dell 1% del fabbisogno della sola Italia. Con una concentrazione di 200 soli sarebbero suffcienti 1500 Ton di feedstock per il 10% del fabbisogno energetico in Italia!

11 Il successo ottenuto con la tecnologia fotovoltaica corrente, nel caso richiesta di piccola potenza, può essere trasferito ad applicazioni energetiche su larga scala a patto che: Il materiale di base sia disponibile in grandi quantità Il costo del KWh diventi competitivo con quello del la rete elettrica, a prescindere dagli incentivi.

12 Quarzite (SiO 2 ) 18 kg IL SILICIO Fornace ad arco SiO 2 +2C Si+2CO 2 Reazione con H 2 (1200 C) HSiCl 3 + H 2 Si + 3HCl Distillazione ( C) HSiCl 3 Feedstock HSiCl 3 HSiCl 3 HCl

13 Crescita Czochralski (1400 C) Lingotti monocristallini (fino a 8 ) 8 Tagli, Lappatura, Lucidatura Wafers (1 kg)

14 Silicio monocristallino Silicio policristallino

15 Esempi di concentrazione FOCUS DISH

16 Fotovoltaico per concentrazione Concentratore sviluppato ai Sandia Natianal Laboratories nei tardo anni 70. Questo sistema sfruttava lenti a punto focale di Fresnel su celle di silicio e due strutture di assi di inseguimento. Il raffreddamento era fornito da acqua fredda circolante nel portacella. Le lenti di Fresnel erano costruite con materiale acrilico

17 Fotovoltaico per concentrazione Lenti a punto focale di Fresnel ibride silicio-vetro che concentrano la luce solare su una cella circolare di circa 5 cm di diametro. Il rapporto di concentrazione è nel range di 40X e la potenza circa 1 kwp IES-UPM(1980)

18 Fotovoltaico a concentrazione L impianto da 350 kw di Soleras installato in Arabia Saudita da Martin Marietta. I moduli includono lenti a punto focale di Fresnel.

19 Fotovoltaico per concentrazione Modulo con doppia lente di Fresnel del FISE & The Ioffe-Institute, con la parete del modulo in vetro.

20 Fotovoltaico per concentrazione Amonix (USA) moduli da 20kWp (500x, lenti di Fresnel

21 Fotovoltaico per concentrazione Piatto parabolico con una concentrazione di 500X, da Solar System

22 Fotovoltaico a concentrazione Piatti parabolici di Solar System Matrice di celle MJ di Spectrolab su un piatto concentratore Piatto parabolico con un rapporto di concentrazione di 500X, da Solar System

23 Installazioni PV a concentrazione al Ioffe Institute Specchi, celle grandi, tubi di raffreddamento lenti di Fresnel, celle medie, Lenti liscie, piccole celle (primi 80) pozzi di calore in Al (metà 80) (tardi 80) La tendenza dei concentratori PV: da grandi a piccoli concentratori ad alti rapporti di concentrazione!

24 Sezione della struttura di un modulo ( all-glass design)

25 Record mondiale (2003) efficienze dei moduli raggiunte come risultato della cooperazione fra Ioffe Institute (St. Petersburg, Russia) e Fraunhofer Institute for Solar Energy System (Freiburg, Germany): 24.9% con area del modulo S = 200 cm 2 Celle a doppia giunzione costituite da Ga 0.65 In 0.35 P/Ga 0.83 In 0.17 As

26 Fotovoltaico a concentrazione

27 Fotovoltaico per concentrazione Euclides (30x, parabolic trough; Si solar cells)

28 Toyota-Daido Steel Fattore di concentrazione 550x usando lenti a profilo bombato; la luce è concentrata su celle solari TJ

29 30x Si solar cells

30 40 mm mirror 15 mm mirror GaAs Cell Heat sink Prototipo HERCULES project (EU contract JOR3-CT97 CT )

31 Concentratori Solfocus Gen-2 (solid version; 1 mm 2 cells)

32 Tracking

33 Phocus ENEA Prismatic lens

34 C Power - spin off di UNIFE

35 Guasco Solar (Spectrolab) (Spectrolab) Isofoton-ES Isfoc-ES (Fraunhofer) (Dishes) EMCORE Corp.

36 Caratterizzazione ottica Procedura impiegata per ricostruire il profilo di illuminazione.

37 La quantità di silicio viene effettivamente ridotta, ma se l efficienza rimane la stessa, difficilmente i costi dell energia prodotta tramite PV diventeranno competitivi Possibili soluzioni per aumentare l efficienza Multigiunzione

38 Multi-giunzione in serie

39 Limiti dei sistemi con celle solari multigiunzione Complessità realizzativa. La giunzione a più bassa corrente è il collo di bottiglia. Elevato costo e grande scarsità di materiale di substrati monocristallini Ge e GaAs (altissima concentrazione). La grande quantità di energia concentrata sul ricevitore richiede l utilizzo di complessi sistemi di raffreddamento Giunzioni contropolarizzate necessità ad alte correnti

40 Separazione spettrale con giunzioni singole in parallelo

41 Blue Band-Edge Left Band-Edge LBE650nm LBE655nm LBE660nm LBE670nm LBE675nm Right Band-Edge

42 Come ottenere due aree separate L assemblaggio dicroico può essere posizionato su ogni area quadrata del concentratore, ottenendo quindi la separazione fisica richiesta fra le aree illuminate

43 Concentratore dicroico a facce piane: il dispositivo reale Due gusci faccettati sono disposti uno sopra l altro. Il guscio superiore è realizzato in PMMA trasparente ed è provvisto di un set di specchi dicroici. Il guscio sottostante è altamente riflettivo. Le faccette dei due gusci sono disegnati in modo da generare due aree illuminate spazialmente separate.

44 Sistemadicroicoa 2 componenti

45 GIUNZIONE SINGOLA MULTIGIUNZIONE IN SERIE MULTIGIUNZIONE IN PARALLELO CON SEPARAZIONE DEL FASCIO

46 Flusso luminoso Flusso luminoso UV Visibile Infrarosso Lungh. d onda GaInP Si Lungh. d onda

47 Dicroici a ossido semiconduttore

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49 Supporti virtuali-lepecvd reactor Heater Substrate SiH 4, GeH 4, PH 3 inlet Auxiliary anode Plasma focusing coils Ar inlet Plasma source

50 Reattore LEPECVD (Unife( e Dichroic Cell) Reattore che permette di effettuare la deposizione epitassiale di Ge su Si Elevato rateo di crescita Controllo della difettività superficiale

51 Substrato per III-V in SiGe/Si 67 cm 2 Si 14.4 W (riflessi) 48 W (convertiti) 150x 144 W 81.6 W (calore) 10 4 cm 2 250x 250 W 40 cm 2 GaAs /SiGe 25 W (riflessi) 120 W (convertiti) 105 W (calore) 857 W Concentratore Solare Beam Split Efficienza circa 40% 250x 337 W 40 cm 2 InGaP /SiGe 33.7 W (riflessi) 158 W (convertiti) 145 W (calore)

52 eff. Si 150x and 250x on full spectrum Incident power density (W/cm2) Converted power density (W/cm2) Reflected power density (W/cm2) Optical efficiency 21,8% 100,0% 2, , ,0% 25,0% 100,0% 6, ,0 10,0% 17,6% 100,0% 8, ,0 10,0% area modulo (1m2 di conc) [cm2] Heat flux heat flux per (W/cm2) module 1, , , , , , , System efficiency on direct flux 36,3% Dissipation 10 CW/cm2

53 Clean rooms

54 Clean rooms map

55 Le prospettive della tecnologia attuale Fonte: Mortarino e Guidolin*, Università di Padova Austria - Yearly installed capacity (MW) Shock year observed predicted Japan - Yearly installed capacity (MW) Shock year observed predicted Alcuni modelli previsivi basati su tecniche di marketing quantitativo (modello di Bass) segnalano che la tecnologia attualmente in commercio sta concludendo il suo ciclo di vita in molti paesi *(Cross-country diffusion of photovoltaic systems: modelling choices and forecasts for national adoption patterns. WPseries, N.18/2007. Dipartimento di Scienze Statistiche. Università di Padova)

56 PROGETTO EUROPEO APOLLON (coordinatore CESI)

57 Consorzio SUN to GRID Ha partecipato alla call per il Progetto di Innovazione Industriale sull Efficienza Energetica nell ambito del Disegno di Legge INDUSTRIA 2015 Progetto del Ministero dello Sviluppo Economico Il bando relativo a questa proposta è uscito il giorno 06/03/2008 ( )

58 Chi partecipa a SUN to GRID L IDEA PROGETTUALE VEDE IL COINVOLGIMENTO DETERMINANTE DEL: MONDO UNIVERSITARIO SISTEMA DELLA RICERCA SISTEMA IMPRENDITORIALE

59 I Partner di SunToGrid STMicroelectronics (coordinatore) Università degli Studi di Ferrara Università degli Studi di Catania ENEL ENI ENEA CESI Ricerca CNR-IMM, CNR-ISOF, CNR-MATIS, CNR-ISMAC System Group Dichroic Cell CPower Silmar Energy Elettronica Santerno High Technology System (HTS) Meta System CIRPS

60 Da un rapido calcolo (3 ton di petrolio per ciascuno dei 60 milioni di Italiani) con un apporto energetico del 10% si avrebbero 10 miliardi di all anno per il solo risparmio sull acquisto del petrolio Esiste la necessità di proporre da parte dell Università progetti che utilizzino i giovani ben formati nell ambito della stessa. Con le cifre riportate si potrebbero impiegare innumerevoli ricercatori non per stare dietro una scrivania ma per arricchire il paese e contemporaneamente renderlo competitivo oltre che produrre lavoro altamente professionalizzante e utile per l ecosistema. E sicuramente giustificabile proporre il nucleare perchè l Univeristà non ha fatto capire quello che si può fare col fotovoltaico!