Celle solari a film sottili basate su semiconduttori composti

Transcript

1 Structural and Physical Properties of Electronic Materials Celle solari a film sottili basate su semiconduttori composti N. Armani IMEM-CNR Parma Bologna-fiere 4 maggio 2007 TECNOLOGIE LOW-COST per la CONVERSIONE FOTOVOLTAICA

2 Istituto Materiali per l Elettronica l ed il Magnetismo IMEM-CNR Parma Gruppo di caratterizzazione strutturale e ottica di materiali per microelettronica, optoelettronica e applicazioni fotovoltaiche Dirigente di ricerca: G. Salviati L.Nasi responsabile OR6, fotovoltaico, all interno del Laboratorio Regionale Energia (ERG) C. Ferrari - responsabile commessa CNR (termofotovoltaico) F. Rossi assegnista di ricerca (analisi TEM e catodoluminescenza)

3 L attuale situazione italiana Solo il 3.2% della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili in Italia utilizza l energia solare Totale prodotto nel 2004: 56 TW/h Frazione da conversione fotovoltaica: 1.8 TW/h Fonte: GRTN

4 Schema di funzionamento di una cella solare basata su materiali semiconduttori inorganici

5 Come si valuta una cella solare Il parametro fisico fondamentale per valutare una cella solare è la sua efficienza (η) che in sostanza è la capacità di produrre corrente elettrica ad una determinata tensione applicata durante l illuminazione. CdTe record efficiency solar cell Le seguenti caratteristiche del dispositivo si ottengono da misure elettriche convenzionali V OC = Tensione di circuito aperto J SC = Corrente di corto circuito η FF= Filling Factor influenzano DIRETTAMENTE η [X. Wu 17 th Eur. Photov. Solar En. Conf. (2001) published on Progr. Photov. Res. Appl.]

6 Silicon Material Si (crystalline) Si (multi-crystalline) Si (thin film) Si (amorphous) Si (nano-crystals) Thin Film Chalcogenide CIGS CIGS CdTe Dye sensitised Organic polymer Organic polymer InGaP/InGaAs/Ge InGaP/GaAs/Ge InGaP/GaAs Efficienza di celle fotovoltaiche Efficiency (%) 24.7 ± ± ± ± ± ± ± ± 0.5 Photochemical / organic cells 10.4 ± ± ± 0.1 Multi-junction epitaxially grown III-V layers 31.3 ± ± Area (cm2) Test centre Sandia NREL FhG-ISE NREL JQA FhG-ISE NREL NREL AIST NREL AIST NREL NREL JQA laboratory UNSW PERL FhG-ISE Uni Stuttgart Uni Neuchatel Kaneka NREL NREL NREL Sharp Konarka Sharp Spectrolab Spectrolab Japan Energy Date M. Green et al. Prog. Photovolt: Res. Appl. 14, pagg (2006) Condizioni di misura: AM1.5 spectrum (1000 Wm -2 ) T=25 C I valori di efficienza variano sensibilmente al variare dei materiali utilizzati: Polimeri organici < 5% Celle a multi-giunzione basati su semiconduttori III-V >30%

7 Diminuizione di efficienza scalando dalla cella solare al modulo La produzione di moduli basati sul Si cristallino sfrutta la tecnologia matura di trattamento del Si usata per la fabbricazione di dispositivi elettronici Le diminuzioni di efficienza in Si monocristallino (2%) e policristallino (5%) sono decisamente inferiori a quelle di tutte le tecnologie basate su film sottili Material Efficiency Area Filling (%) (cm 2 ) factor Productor Si (crystalline) Single cell 24.7 ± Module 22.7 ± UNSW Si Single cell 20.3 ± Fh.G ISE (multi-crystalline) Module 15.3 ± Sandia Si (thin film) Single cell 16.6 ± Univ. Stuttgart Module 8.2 ± Pacific solar CIGS Single cell 18.8 ± NREL Module 13.4 ± Showa CdTe Single cell 16.5 ± NREL Module 10.7 ± BP solarex Passando alle tecnologie basate su film sottili, le efficienze (MIGLIORABILI) dei moduli basati su semiconduttori composti (13.4% CIGS e 10.7% CdTe) superano il Si anche a livello di produzione industriale

8 Un occhio ai costi I costi delle tecnologie a film sottili sono i più bassi in assoluto I processi a costi inferiori sono di tipo sperimentale e non commerciali: MANCANZA di TRASFERIMENTO TECNOLOGICO VERSO l INDUSTRIA Processo CdTe x elettrodeposizione (linea pilota) Si film sottili (sperimentale) CIGS ad alta resa (sperimentale) CIGS x sputtering (sperimentale) CdTe x CSS (commerciale) Si amorfo box carrier (commerciale) Si amorfo ad alta resa (sperimentale) Si cristallino (commerciale) Materiale* Te Si In In (target) Te Ge Ge Si % di utilizzo Costo /Kg Spessore strato attivo 2 µm 50 µm 2 µm 2 µm 4 µm 1 µm 1 µm 120 µm Costo /Watt Ref: KL Chopra et al. Prog. Photov.: Res. Tech. 12, 69 (2004) * E indicato il materiale che influisce maggiormente sui costi di produzione Tecnologie basate su film sottili Tecnologie basate su Silicio

9 Quali moduli fotovoltaici? Nonostante sia dimostrato che i costi della tecnologia basata sui film sottili e specialmente basata sui semiconduttori composti siano inferiori, il mercato si mantiene fossilizzato sullo sfruttamento delle mature tecnologie basate sul Silicio mono- e poli-cristallino

10 La ricerca sui materiali nel campo dei film sottili, in particolare semiconduttori composti, insieme con un miglioramento delle tecnologie industriali, può aumentare ulteriormente le prestazioni dei dispositivi commerciali. E possibile cambiare la convinzione di chi lavora nel campo della ricerca industriale che il Si è l unica tecnologia in cui vale la pena investire?

11 Semiconduttori composti A questa famiglia appartengono CdTe e CuInGa(Se,S) 2, che sono utilizzati come strati attivi (absorber layers) nelle celle solari Presentano proprietà fisiche ideali per la conversione fotovoltaica: band gap diretto e altissimi coefficienti di assorbimento (>10 4 cm -1 ) E g (CdTe)=1.45 ev Regione dello spettro visibile E g (CIGS)= ev

12 Com è fatta una cella solare a film sottili La struttura è formata da una serie di FILM SOTTILI con spessori di alcuni µm o inferiori. Le tecniche di deposizione usate variano per i diversi materiali: Sputtering nel caso del CI(G)S, Closed Space Sublimation nel caso del CdTe e bagno chimico in alternativa allo sputtering per il CdS Ohmic contact Sun light ITO upper contact ZnO buffer layer nm n-cds 1-2 µm p-cuin x Ga 1-x (Se,S) 2 Mo metallic contact > 8 µm p-cdte - grown by CSS 80 nm n-cds 600 nm SnO 2 - TCO layer Glass substrate Sun light Glass substrate

13 Influenza dei materiali sull efficienza La giunzione p-n è ottenuta senza drogare I materiali depositati: - As grown CdTe and CIGS si comportano come semiconduttori di tipo p - il CdS, usato come strato finestra è di tipo n. Per ottenere efficienze elevate (η>10%) è necessario trattare termicamente le strutture dopo la loro deposizione in atmosfera e a temperatura controllata Le proprietà della giunzione, quindi della cella dipendono fortemente dalle proprietà di ricombinazione dei bordi di grano. E necessario ottenere una buona passivazione. Si ottiene una notevole riduzione dei costi rispetto al Si grazie a: Substrati a basso costo (vetro, ceramiche e substrati flessibili) Strati attivi sottili (10 µm MAX di spessore per il CdTe <2 µm per il CIGS), utilizzo ridotto di materie prime Tecniche di deposizione utilizzate a basso costo e facilmente scalabili a livello industriale

14 Negli ultimi 3-4 anni lo sforzo della ricerca di base sui materiali ha permesso lo sviluppo di alcune realtà industriali capaci di produrre moduli fotovoltaici basati su questi film sottili Company Device Area (cm 2 ) Efficiency Power (W) Date (%) Global Solar CIGS * 88.9* 05/05 Shell Solar CIGSS * 86.1* 10/05 Würth Solar CIGS /04 First Solar CdTe * 67.5* 02/04 Shell Solar GmbH CIGSS /03 Antec Solar CdTe /04 Shell Solar CIGSS * 46.5* 03/03 Showa Shell CIGS /03 *NREL Confirmed In Europa, la Germania garantisce un altissimo livello nella ricerca e contemporaneamente una realtà a livello industriale

15 Cosa dobbiamo ancora fare per migliorare le celle a film sottili? Aumentare l efficienza della cella migliorando le proprietà dei materiali che costituiscono gli strati attivi del dispositivo: - Le celle basate su film sottili hanno una V OC bassa rispetto al largo band gap, a causa dell elevata densità di centri di ricombinazione all interno del gap. Troppo elevata densità di difetti cristallini - Il FF è solitamente inferiore a 70% nei moduli commerciali, contro valori superiori a 75% nelle celle da laboratorio. Questo significa che è possibile migliorare le i dispositivi commerciali aumentando l omogeneità delle proprietà strutturali, ottiche e di trasporto su larga scala [Hegedus S, Shafarman W.,Progress in Photovoltaics 12, 155 (2004)] Traduciamo in numeri gli obiettivi della ricerca Efficienza superiore al 20% per celle small size in laboratorio Perdite di efficienza inferiori al 5% passando a moduli commerciali di grandi dimensioni

16 Un esempio concreto nel caso del CdTe Le celle basate su CdTe necessitano di un trattamento termico post crescita in atmosfera controllata. Questo trattamento influisce sulle proprietà della giunzione p-n agendo direttamente sulle proprietà strutturali del CdTe e sulle proprietà di ricombinazione dei bordi di grano. L ottimizzazione delle condizioni di trattamento della struttura con un particolare gas (HCF 2 Cl) ha permesso di aumentare l efficienza della cella solare del 7.5%, fino a raggiungere il 15.8% Per trasferire questo processo dal laboratorio al livello industriale è necessario conoscere dettagliatamente come il trattamento agisce sui materiali costituenti la cella: 1) Studio dell effetto sulle proprietà del CdS 2) Studio dell effetto sulle proprietà del CdTe 3) Studio dell effetto sulle proprietà della giunzione p-n e quindi del dispositivo

17 Per studiare l effetto del trattamento è necessario utilizzare tecniche sperimentali ad elevata risoluzione laterale e con grande sensibilità a piccole variazioni nelle proprietà strutturali e di ricombinazione. Come ad esempio le tecniche legate alla microscopia elettronica 1 o effetto sull omogeneità delle dimensioni dei grani del materiale analizzato con immagini SEM Untreated CdTe optimised HCF 2 Cl treatment

18 2 o effetto sulle proprietà di ricombinazione dei portatori con analisi di catodoluminescenza CL Intensity (a.u.) untreated CdTe/CdS structure small size grains large size grains HCF 2 Cl treated Localizzazione dell emissione legata al trattamento in prossimità dei bordi di grano 5 0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Energy (ev) monocl NBE (1.58 ev) 5 µm 1.4 ev

19 CONCLUSIONI Le tecnologie a film sottili basate su semiconduttori composti (CdTe e CIGS) hanno come principale vantaggio sul Si il BASSO COSTO di REALIZZO delle CELLE MA Solo nel caso che la produzione industriale sia effettuata su larga scala Una previsione basata su una produzione annua di 60MW di impianti con una resa del 88%, considerando pannelli con efficienze già attualmente raggiungibili (10% per il CdTe e 13% per il CIGS) forniscono un costo di 1 /W Woodcock J,Schade H,Maurus M,Dimmler B,Springer J,Ricaud A.Study of the upscaling of thin film solar cell manufacturing towards 500 MW per annum.proceedings of 14th Euro PVSEC Barcelona, 857 (1997) Abbassare il costo sotto 1 /W /W significa: - produzione dell ordine del GW, con processi clonati di produzione paralleli - Utilizzo fino al 75% dei materiali grazie a processi di riciclo del materiale

20 Ancora costi Rated Module Efficiency (%) Description Rated Output (Wp) Estimated Price ($/Wp) Temperat ure coefficient * 11.0 WürthSolar WS31050/80 (CIS) 80 Above $ %/ºC 9.4 Shell Solar ST-40 (CIS) 40 Above $3-0.6 %/ºC** 9.0 First Solar FS65 (CdTe) 65 Below $ %/ºC 6.9 Antec-Solar ATF50 (CdTe) 50 Below $3-0.18%/ºC 6.3 Kaneka GEA/GSA (single-junction a-si) 60 Below $3-0.2%/ºC Mitsubishi Heavy MA100 (single-junction a-si, VHF deposition) Uni-Solar US-64 (triple-junction amorphous silicon) RWE Schott ASI-F32/12 (same bandgap a-si tandem) 100 Below $3-0.2 %/ºC 64 $ %/ºC 32.2 Varies -0.2%/ºC Table 2. Commercial Thin Film Modules, Data Taken from Web sites (total-area efficiencies)