Impianto SERPA SOLAR da 11 MW, Alentejo, Portogallo

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1 Fotovoltaico (photovoltaic PV) Impianto SERPA SOLAR da 11 MW, Alentejo, Portogallo

2 Energia Solare Il sole fornisce alla terra luce solare che oltre l atmosfera (sunlight at top of the atmosphere) ha una densità di potenza di 1366 W/m2; comunque a causa di alcuni effetti geometrici e di riflessione della superficie terrestre la luce effettivamente disponibile è di circa 1000 W/m2

3 L energia solare è rinnovabile,,p pulita,,presente in grande quantità. La tecnologia che sfrutta questa energia energia è chiamata fotovoltaica: da foton = luce e voltaico che riguarda l elettricità.

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5 Il fotovoltaico si basa principalmente sulla scienza e sulla tecnologia dei semiconduttori. Esiste comunque una categoria molto promettente di PV che si fonda sul principio della fotosintesi. Il silicio e i semiconduttori IV I semicoduttori III-V e II-VI Semiconduttori ossidi Semiconduttori nanometrici Semiconduttori polimerici

6 Conduttori, isolanti e semiconduttori

7 Proprietà del silicio

8 Elettroni di valenza

9 Modello a bande

10 Modello a banda

11 Modello a bande

12 Modello a bande

13 Modello a bande

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17 Modello a bande

18 Cristallo di Silicio a T = 0 K

19 Cristallo di Silicio a T = 0K

20 Semiconduttori intrinseci

21 Cristallo di Silicio

22 La lacuna ovvero la carica positiva

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24 Metalli

25 Metalli

26 Conduttori, semiconduttori e isolanti

27 Semiconduttori intrinseci

28 Semiconduttori drogati

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30 Tipo n

31 Tipo n con atomi donatori

32 Tipo p con atomi accettori

33 Tipo p con atomi accettori

34 Generazione e ricombinazione

35 Silicio drogato

36 Arrhenius

37 Che cosa è una giunzione p-n? Due cristalli di silicio vengono drogati diversamente: un cristallo con accettore (Boro) a formare una a formare una struttura di tipo p, l altro cristallo con donore (Fosforo) a formare una struttura di tipo n. I due tipi di strutture vengono poste a contatto: la zona I due tipi di strutture vengono poste a contatto: la zona di separazione è chiamata zona di giunzione p-n.

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39 Giunzione p-n

40 Giunzione p-n e tenzione applicata

41 Giunzione p-n e tensione applicata

42 Curva caratteristica del diodo

43 Effetto fotovoltaico Illuminando la giunzione p-n si generano coppie lacune-elettrone l su entrambe le zone n e p. Il campo elettrico della zona di giunzione separa gli elettroni in eccesso,,generati dall assorbimento della luce, dalle rispettive lacune spingendoli in direzioni opposte e creando una corrente. Una volta attraversato il campo gli elettroni non tornano più indietro perché il diodo e ne impedisce l inversione di marcia.

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46 Curva caratteristica di un modulo fotovoltaico P = V I Punto di funzionamento o punto di potenza massima di una cella Il regime di funzionamento di una cella è quello in cui essa fornisce potenza massima : questo accade ad un certo voltaggio Vmp a cui corrisponde una certa corrente corrente Imp. Quindi data una cella avente una caratteristica V-I, il carico a cui essa fornisce potenza massima è Pmax = Vmp/Imp

47 Circuito equivalente di una cella solare a silicio monocristallino di una cella solare quando ad essa è applicato un carico I corrente in uscita I L fotocorrente I D corrente del diodo I P corrente di perdita I 0 corrente inversa di saturazione N numero di celle in serie (30-36 ad unità) m fattore di idealità del diodo (tra 1 e 2) K costante di Boltzman T cel temperatura della cella e carica dell elettrone V tensione della cella R S resistenza in serie R P resistenza di scambio

48 I(V) = Isc Idark (V) I(V) = Isc Io[exp(qV/KT) 1] La quantità di energia solare trasformata t in elergia elettrica da un modulo fotovoltaico dipende dall irragiamento, dalla distribuzione spettrale e dalla temperatura delle celle. Per stabilire una base di confronto tra i diversi moduli si usano degli standard accettati interzionalmente che permettano di determinare le curve I-V : Irraggiamento= 1000 W/m 2 Temperature delle celle = 25 ºC Distribuzione spettrale = AM 1.5

49 Comunque le celle non in realtà non lavorano in condizioni standard. Pertanto si sono formulate delle condizioni normali di lavoro che presentano i seguenti valori: Irragiamento = 800 W/m2 Irragiamento 800 W/m2 Temperatura ambiente = 20 ºC velocità del vento = 1 m/s Distribuzione spettrale = AM 1.5

50 Per una cella fotovoltaica si definiscono: Fattore di riempimento o Fill Factor (FF): FF = (Imp Vmp) / (Isc Voc) L efficienza cella: η=imp p Vmp/Ps dove Ps è la potenza della luce solare incidente L efficienza si può esprimere in funzione del FF: η=isc Voc FF/Ps I 4 parametri: Isc, Voc, FF, η sono le caratteristiche chiavi della performance di una cella

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52 Silicio i monocristallino è stato ed è ancora è oggi il più usato semiconduttore per le celle fotovoltaiche Vantaggi: Alta efficienza. Durabilità nel tempo Svantaggi : Alto costo di preparazione del monocristallo. Silicio policristallino Il suo uso nasce dalla necessità di diminuire i costi di crescita del cristallo del Silicio Vantaggi : più economico economico del Silicio monocristallino. Svantaggi: perdita di efficienza i dovuta a bordi di grano, impurezze e imperfezioni i i del reticolo Silicio amorfo È in assoluto il semiconduttore più economico ma anche il anche il più scadente. La sua tecnica di produzione è molto semplice perché consiste in una deposizione su lastre di vetro o metalliche. Gli svantaggi del silicio amorfo sono gli stessi del Silicio policristallino però più accentuati.

53 Tecniche di produzione del Silicio Silicio monocristallino: Processo Czochralski e metodo del floating zone

54 Processo Czochralski Il processo consiste nel sollevamento verticale a bassissima velocità di un seme monocristallino di silicio, immerso inizialmente per pochi millimetri in un crogiolo contenete silicio puro fuso. Il seme monocristallino è, in pratica, una bacchetta con sopra un sottile strato di silicio in forma monocristallina. Gli atomi di silicio fuso, a contatto con il seme monocristallino, si orientano secondo il reticolo atomico della struttura tt del silicio; i La temperatura del silicio nel crogiuolo è mantenuta di pochi gradi superiore a quella di fusione (1414 C), e aderendo al seme monocristallino, che gradualmente viene estratto dalla massa fusa, si solidifica molto rapidamente conservando la struttura monocristallina del seme a cui aderisce. Il controllo rigoroso della temperatura del materiale fuso, dell'atmosfera nella camera, e della velocità di estrazione, nonché assenza assoluta di vibrazioni, consente la produzione di fusi perfettamente t cilindrici i i ealtamente t puri. L'operazione successiva consiste nel tagliare il fuso tramite un disco diamantato, ottenendo i dischi con spessore di pochi decimi di millimetro chiamati wafer; i Wafer costituiranno quindi il supporto (substrato) per i diversi dispositivi elettronici. Dato che la quantità di dispositivi ricavabili da una singola fetta è proporzionale al suo diametro, col tempo si è cercato di realizzare fusi con diametro sempre maggiore. Attualmente si realizzano fusi con un diametro di circa 30 centimetri. Un cristallo di Si prodotto con il metodo Czochralski si indica con CZ

55 Processo Czochralski

56 Processo Czochralski

57 Processo Czochralski

58 Metodo float-zone Nel metodo di float zone (FZ) un cristallo con struttura e composizione spuria si muove muove attraverso una zona ove il materiale è liquido partendo da un germe cristallino che, come nel metodo Czochralski, ne orienta gl iatomi nella zona fusa. Questo metodo è stato usato inizialmente per purficare i CZ sfruttando gli effetti di segregazione delle impurezze e di riassestamento della struttura nella zona fusa in forma di mono cristallo. Questo metodo permette di ottenere monocristralli di alta purezza e cristallinità. Nel metodo FZ la fusione viene effettuata in vuoto o in gas inerte ed è ad impurezze zero perchè la zona di fuzione non è a contatto diretto con il crogiolo come nel procezzo CZ. I problemi del metodo FZ sono quelli correlati al collasso della zona fusa che rimane compatta e solidale al solido grazie unicamente alle forze di tensione superficiale del fuso. I diametro massimo per pani ottenti con il metodo FZ sono di 20 mm. Con metodi molto sofisticati si possono però raggiungere diameri 150 mm.

59 Metodo float-zone

60 Tecniche di produzione del Silicio policristallino Nasce dall esigenza di diminuire i costi di crescita del cristallo del Silicio monocristallino. Ha lo svantaggio di portare a delle perdite di efficienza i dovute alla presenza dei bordi di grano e alle impurezze ed imperfezioni nel reticolo Metodo di prouzione del Si policristallino: Wacker Ingot Metodo di prouzione del Si policristallino: Wacker Ingot Facturing Process (WIFP)

61 Metodo Wacker Stampo in cui il Silicio è fatto raffreddare fatto raffreddare mediante un gradiente termico verticale controllato. Il blocco viene poi tagliato in pani di grande misura madinate medinate una lastra segante. I singoli pani vengono tagliati in sottili fette: i wafers policristallini.

62 Silicio policristallino

63 Silicio amorfo È in assoluto il semiconduttore più economico ma anche il più scadente. La sua tecnica di produzione è molto semplice perché e consiste in una semplice deposizione con una tecnica di Chemical vapor deposition (CVD) del silano SiH4 su lastre di vetro o metalliche. Gli svantaggi del silicio amorfo sono gli stessi del Silicio policristallino però più accentuati. Un metodo per diminuire le imperfezioni del cristallo del silicio amorfo è la passivazione passivazione della superficie della superficie mediante idrogeno

64 Cella fotovoltaica di prima generazione (Si-based)

65 Tecnologia del Silicio monocristallino

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69 Passivazione Evaporazione del silicio i dei metalli

70 Photoresist st technique 1. deposition (laying down the thin film, SiO2, Al, etc.), 2. doping (changing the conductivity by adding impurities), 3. photolithography (defining the pattern), 4. etching (transferring the pattern into the thin film).

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81 Contatti TCO

82 TCO: Transparent Conductive Oxide ITO: Indium Tin (IV) oxide. In2O3 (90%), SnO2 (10%) in peso è un conduttore elettronico con ottima trasparenza ottica. Si deposita in films sottili che diano un buon compromesso tra elevata conducibilità e trasparenza. ZnO- doped d Al Al2O3-Cu doped Etc.

83 ITO

84 TCO alternativi all ITO Riduzione dei costi dei TCO (Zinc oxide sostituisce all Indium based oxides) Aree sempre più larghe Coatings su superfici curve Coatings con buona aderenza

85 Semiconduttori Alternativi

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87 Cella fotovoltaica di seconda generazione (thin films solar cell)

88 Cell Configuration for CIGS-based Solar Cell Substrate Configuration Highest efficiency Additional encapsulation layer and/or glass

89 Cell Configuration for CIGS-based Solar Cell Superstrate Configuration No need for encapsulation layer Interdiffusion of Cd into CIS (or CIGS), which can be overcome by low temperature deposition process Low cost Ready for multijunction 2004_ProgPhotovolt_(A Romeo)

90 Schematic Structure of a CIGSbased Solar Cell 2005_SurfCoat_(W Diehl)

91 Theoretical and Actual Efficiencies (Total area) for the Most Common Cu Chalcopyrite Solar Cells

92 Vantaggi: Ottimo coefficiente di assorbimento, energy gap ideale per l assorbimento della luce visibile Svantaggi: Il Cadmio è un materiale estremamente tossico e difficile da smaltire

93 SWIR: Shortwave Infrared

94 Multilayer

95 CdS thin films applied to solar cells can be grown by chemical vapour deposition (CVD), close space vapour transport (CSVT), sputtering (Sp), laser ablation (LA), chemical bath deposition (CBD) Etc. Physical properties of CdS thin films depend d upon the growth technique, and the optimisation of the growth conditions for each technique.

96 Tecniche di deposizione

97 Evaporazione

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100 Vapour transport deposition The reactor consists of a standard six-waycross stainless steel vacuum chamber. The entire system is evacuated using a mechanical pump that achieves a base pressure of approximately 10 mtorr. CdTe source material is held in a quartz tube heated by nichrome ribbon wrapped aroundthe source tube. Glass substrates coated with conducting tin oxide (1µm thick) and chemical bath deposited CdS (300 nm thick) were placed on a resistively heated susceptor located ~2 cm below the source. Nominal substrate temperatures (Tsub) ranged from 150ºC to 500ºC. The actual surface temperature of the film is slightly higher due to radiative heating bythe source