Celle solari fotovoltaiche a film sottile: progressi, opportunità e sfide. Maurizio Acciarri Via Cozzi 53, 20135 Milano Milano-Bicocca Solar Energy Research Center Dipartimento di Scienza dei Materiali Università degli Studi di Milano Bicocca
La direttiva 20-20-20-10 20% Riduzione del consumo di energia dal 2020
La direttiva 20-20-20-10 20% Energia rinnovabile dal 2020
La direttiva 20-20-20-10 20% Riduzione di emissione di CO 2 dal 2020
La direttiva 20-20-20-10 10% Energia rinnovabile nel trasporto dal 2020
Fotovoltaico Quali potenzialità? Come il fotovoltaico potrà contribuire a questo target? Quali azioni sono necessarie affinché questo avvenga? Il ruolo delle nuove tecnologie a film sottile. Immagini: EPIA
Produzione di energia elettrica mondiale
Produzione di energia elettrica mondiale Fonte: IEA
Produzione di energia mondiale da fonti rinnovabili Fonte: IEA Fotovoltaico 3,8 TWh = 0,01 %
Dipendenza energetica dall estero EU Diversificazione delle fonti Jan-Oct 2005 Jan-Oct 2006 Jan-Oct 2007 350 000 300 000 250 000 GWh 200 000 150 000 100 000 50 000 Combustible Fuels Nuclear Hydro Geoth./Wind/ Germania Solar/Other Jan-Oct 2005 Jan-Oct 2006 Jan-Oct 2007 Jan-Oct 2005 Jan-Oct 2006 Jan-Oct 2007 400 000 250 000 350 000 300 000 200 000 GWh 250 000 200 000 150 000 GWh 150 000 100 000 100 000 50 000 50 000 Combustible Fuels Nuclear Hydro Geoth./Wind/ Francia Fonte: Rapporto IEA Energia Ambiente 2006 Solar/Other Combustible Fuels Nuclear Hydro Geoth./Wind/ Solar/Other Italia
Il mercato fotovoltaico: passato e presente L industria fotovoltaica ha avuto un forte sviluppo nel passato. L aumento è stato di circa il 30% all anno. In particolare l Europa ha avuto una parte importante in questa crescita. Fonte: Global Market Outlook for Photovoltaics until 2013 http://www.epia.org
EPIA: Nuovi posti di lavoro ipotizzati in funzione degli impianti PV installati 38.5 Miliardi di $ nel 2009
Il mercato fotovoltaico: il futuro La UE27 ha come target il12% fornito da PV nel 2020 Il 12% dell elettricità della UE27 significa 462TWh Questo corrisponde a circa 390 GW di potenza installata supponendo un insolazione media di 1200kWh/Wp Nel 2009 la potenza installata è di 16 GW! 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Cumulated 10 13,57 18,42 24,99 33,91 46,02 Growth cumulated (2008-2020) % 35,70 35,74 35,67 35,69 35,71 New installation GW 3,57 4,85 6,57 8,92 12,11 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Cumulated 62,45 84,75 115 156,6 211,78 287,39 390 Growth cumulated (2008-2020) % 35,70 35,71 35,69 36,17 35,24 35,70 35,70 New installation GW 16,43 22,3 30,25 41,6 55,18 75,61 102,61 Fonte: Set for 2020 http://www.epia.org
Il mercato fotovoltaico: il futuro La UE27 ha come target il12% fornito da PV nel 2020 Il 12% dell elettricità della UE27 significa 462TWh Questo corrisponde a circa 390 GW di potenza installata supponendo un insolazione media di 1200kWh/Wp Nel 2009 la potenza installata è stata di 16 GW! L Europa può arrivare ad installare 390GW nel 2020? 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Cumulated (GW) 10 13,57 18,42 24,99 33,91 46,02 Growth cumulated (2008-2020) % 35,70 35,74 35,67 35,69 35,71 New installation GW 3,57 4,85 6,57 8,92 12,11 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Cumulated (GW) 62,45 84,75 115 156,6 211,78 287,39 390 Growth cumulated (2008-2020) % 35,70 35,71 35,69 36,17 35,24 35,70 35,70 New installation GW 16,43 22,3 30,25 41,6 55,18 75,61 102,61 Fonte: Global Market Outlook for Photovoltaics until 2013 http://www.epia.org
Il fotovoltaico: stato e prospettive L energia fotovoltaica è una fonte di energia il cui costo è in continua diminuzione all aumentare del mercato. 10 Euro/Wp 1980 1990 2,5 /Wp 2000 2010 1 Euro = 1,2 USD Source: PSE GmbH, 2005 Fonte: EU Photex-project 1 1 10 100 1.000 10.000 100.000 Cumulative production MWp 80% learning curve, i.e. il comportamento aspettato se il costo della cella decresce al 80% del valore originale per ogni raddoppio del volume di produzione 2020
Attuali costi di generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili e proiezione nel lungo termine (costi diretti) da World Energy Assessment: Energy and the challenge of Sustainability, UNDP, New York, ISBN 92-1-1261-0 (Chapter 5: Energy Resources) Enorme potenziale per l energia solare
Elettricità da FV: costi attuali Assunzioni: 4 /Wp; 4% Interesse; 0.5%/yr O&M; 25 anni di operatività Fonte: H. Hossenbrink JRC
Costo elettricità FV [ /kwh] = 18-26 c /kwh = Calibration Percentage Change since start of outdoor operations 20 0-20 -40-100 No Prior Conditioning OC04 OC03 OB02 JA08 JA07 JA06 JA05 JA04 JA03 JA02 JA01 J003 HB02 HB01 HA04 H003 Artificial -60 Ageing -80 Temp Cycling Humidity Freeze OA01 M002 J002 J001 HA02 HA01 H002 H001 Damp Heat Hot Spot Mech Load Hail -5.592% -8.764% -5.986% -7.539% -16.724% -8.265% -22.863% H04A J04A OA02 OC02 OB03 OB04 OA03 M003 HA03 HA05 M04A OA04 OB01 Ozone & SO 2 HA08-5.999% High Temp M001-15.625% UV Test OC01-0.696% Cost / Std-Power [ /Wstd] / Lifetime [years] / Solar yield [kwh/wstd/year] PV-GIS Immagini = H. Hossenbrink JRC
Fotovoltaico: riduzione dei costi 2020 1 /Wp Ridurre costo materiale Aumentare l efficienza Aumentare produttività
Le celle solari ll termine fotovoltaica é composto dalla parola greca phos (=luce) e Volt (=unitá di misura della tensione elettrica). Si tratta dunque della trasformazione di luce in energia elettrica La scoperta è dovuta a Becquerel nel 1839. Prime applicazioni negli anni 50 sui satelliti, terrestri tardo 70. Luce Contatto fronte AR Coating + n + n-emitter Regione carica spaziale 180 um Campo Elettrico Carico p-base (drogata boro) Contatto retro
Fotovoltaico: alcune definizioni Il watt di picco (Wp): è la potenza che la cella (modulo) produce in condizioni di irraggiamento standard (STC): 1000 watt per metro quadrato a 25 gradi di temperatura con uno spettro AM1.5G, ovvero lo spettro standard della luce solare alla superficie terrestre (1 sun). Efficienza (η): rapporto tra la massima potenza prodotta dalla cella (modulo) in STC e la potenza incidente sulla cella (modulo). Voc = tensione di circuito aperto Isc = corrente di corto circuito Pmax= Vmax Imax FF = (Vmax Imax)/(Voc Isc) η = Pmax/Pin
Celle solari giunzione singola: il gap Limite teorico di conversione 95% (Carnot) η = 1-T D /T S Spettro solare AM1.5 ~ 74% Limite teorico giunzione singola 31% (gap 1.3eV) Fonte: Sze Physics of Semiconductor Devices; Second Edition; John Wiley & Sons;New York; 1981
Celle solari giunzione singola: il gap Energia incidente 24% Fotoni con energia sotto soglia (Hν > Eg) 4 % 32% Riflessione Eccesso di energia dei fotoni (Hν - Eg) 7 % Derivazione della corrente nella giunzione (Vm*Im/Voc*Isc) 5% 14% Conversione di Eg in energia elettrica (Voc < Eg/q) Ricombinazione 13 % 1 % Perdite resistive Efficienza limite 31% Energia utile Fonte: Sze Physics of Semiconductor Devices; Second Edition; John Wiley & Sons;New York; 1981
Efficienze record laboratorio giunzione singola Prog. Photovolt: Res. Appl. 2010; 18:346 352
Efficienze record moduli Passando dalla cella al modulo si ha una diminuzione di efficienza Nel caso di celle di Si cristallino la perdita è minore del 5% I moduli a film sottile hanno un maggior margine di miglioramento
Caratteristiche ideali del materiale fotovoltaico e della tecnologia produttiva Energy band gap tra 1.1 e 1.7 ev Coefficiente di assorbimento della luce elevato Efficiente conversione dell energia solare Alta disponibilità di materiale non tossico Tecniche di deposizione adatte per estensione a larga scala e ad alta produttività Basso utilizzo di materiale e di energia Stabilità sul lungo periodo Alta riciclabilità Produzione a basso impatto ambientale
Celle al silicio cristallino: 80% mercato (2010) Amorphous Si CIS Cadmium Telluride Elemento Concentrazione (ppm) Si Silicon 282000 Others Ga Gallium 19 As Arsenic 1.8 Ribbon Si Single cystalsi Cd Cadmium 0.15 In Indium 0.25 Multi crystal Si Se Selenium 0.05 Te Tellurium 0.001 Vantaggi del Si: Abbondanza di materiale in natura Buona efficienza di conversione dell energia solare in elettrica Basso impatto ambientale Relativo basso costo del materiale Elevata qualità del materiale Tecnologia derivata dalla microelettronica Problemi: Efficienza Costo Fonte: Shah. et al. Thin Solid Films, 179, 403 (2002)
Silicio: purezza e prezzo del materiale Se il costo del feedstock fosse 0 Euro/kg, il costo del modulo diminuirebbe dell 11% Impurezze Fonte: del Coso G., del Cañizo C. and Sinke W.C. workshop Crystal Clear Dicembre 2008 Efficienza! EG-Si
Riduzione del consumo di silicio Silicon consumption Tons/MW 14 12 10 8 6 4 2 0 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 year Spessore film Si 30um -> 90% assorbimento fotoni Il silicio è un materiale a gap indiretto basso assorbimento Fonte: T.H. Wang et al. Solar Energy Mat. and Solar Cells 41/42, 19 (1996)
Tecnologia cella Si Stato dell arte n-contact ARC n-emitter pn- Junction p-base Al-BSF Copertura griglie Anti riflettente Ricombinazione sup. Qualità e quantità Si Ricombinazione retro Processo p-contact Saw Damage Removal Texture + Cleaning Diffusion PSG Removal ARC Screenprinting Firing, Finger) Isolation Source: Stefan Glunz, FHG-ISE, Francesca Ferrazza ENI
Evoluzione dell efficienza di celle Si (25%) (1974) (1985) (1991- ) (1961) 25 20 First 20% cell UNSW (1954) Efficiency, % 15 10 5 Source: M. Green UNSW (1941) 0 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Efficienza dei moduli commerciali al Si 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Ribbon Source: Photon International Feb. 2009 mc-si c-si Hi-Effic. Schott300 Evergreen180/195 Efficiency, %. Photowatt140/175 Mitsubishi175/190 BP210/230 Schott232 REC205/235 Sharp216/230 Kyocera205/210 Suntech220/80 Photowatt165/80 Sharp180 Isofoton210/230 Suntech240/280 BP7175/95 Sanyo205/215 SunPower290/320 Max teorico 31%
1 a generazione: limitazioni I costi nella tecnologia delle celle solari di prima generazione sono dominati dalle materie prime I wafer di silicio I vetri di copertura L incapsulante e isolante Nel futuro si prevede che questi aumenteranno fino a coprire il 70% del costo del modulo 2010 per 10GW = 20TWh (0,27%) servono circa 70000 Ton di Si. 2020 per 390GW = 462TWh (12%) serviranno circa 2730000 Ton di Si!
Le tecnologie: presente e futuro Fonte EPIA
2 a generazione : film sottili Tecnologie Film sottile Silicio Amorfo Microciystallino policristallino Calcogenuri (policristallino) CIS, CIGS [Cu(In,Ga)(Se,S) 2 ] CdTe Dye sensitised, Organici CIS Organiche CdTe a-si-h
Film sottili inorganici: potenzialità Adatte a produzione di massa ma il mercato non ha ancora individuato la tecnica vincente. Sono disponibili pochi impianti industriali chiavi in mano ad alta produttività (Applied Materials, Oerlikon, Centrotherm, Von Ardenne,..) Buone potenzialità di ingresso sia nel mercato delle applicazioni a basso costo sia in quello dell alta efficienza (40% nel 2012!) Nel caso di materiali non silicio problemi di tossicità e disponibilità da risolvere Ulteriori riduzioni dei costi richiedono materiali a basso costo con tecniche di deposizione e assemblaggio estremamente semplici o un aumento dell efficienza
Film sottili pro e contro Silicio Fetta Cella Modulo CIGS CdTe Si amorfo Efficienza elevata in produzione Mercato consolidato Linee di produzione automatizzate con elevata produttività Step di produzione differenti e separati Costo dominato dal costo della materia e dell energia Materia prima (Si) di elevata purezza Incapsulamento con vetro e polimeri I wafer devono essere connessi in stringhe Payback time maggiore (3 anni) Step di produzione integrati in una sola linea Dalla materia prima al prodotto finale (modulo) Utilizzo ridotto di materia prima Ampie aree di deposizione, elevata produttività Integrazione monolitica Ridotto payback time (1 anno) Efficienza a-si bassa, CdTe media CIGS alta Scarsità, tossicità e costo materia prima (In, Te, Se, Cd)
Celle solari a film sottile: inorganiche NiAl NiAl n-type ZnO:Al 0.5-1 um i-type ZnO 50-90 nm i-type CdS 50-100 nm p-type CIGS 1.3-2.5 um Molybdenum 0.5-1 um Isolating layer Metal 18% mercato 2010 CIGS : Cu(In, Ga) Se 2 Alta efficienza (η = 19.4 %) Modulazione del band gap Alta densità di difetti Alti costi, alte temperature Tossicità e rarità del materiale Tecnica deposizione vincente? CdTe : Alta efficienza (η = 16.7 %) Band gap diretto of 1.5 ev Alta velocità di deposizione (circa 10 micron / min). Problematiche ambientali Attualmente bassa resa di produzione Disponibilità del materiale a-si/ micro-amorfo (a-si-h): Buone proprietà elettriche Può essere depositato su substrati a basso costo anche di grandi dimensioni Degrado delle proprietà elettriche di trasporto dopo l esposizione alla luce (leffetto Stabler-Wronsky) Bassa efficienza (η = 9.5 % - 11.7%) Tassi deposizione
Proprietà chimico-fisiche del CIS (Copper Indium diselenide) Band gap diretto, E g = 1.04 ev Soluzione solida di rame, indio e selenio Fase semiconduttiva CuInSe 2 calcopirite (tetragonale) Drogaggio intrinseco p-type
Effetti dell addizione di gallio a CIS -> CIGS Parziale sostituzione Ga/In all interno della struttura cristallina: formazione del sistema quaternario Cu(In,Ga)Se 2 Aumento dell energy gap secondo la formula empirica E g ( x ) = (1 x) E ( CIS) + x E ( CGS) b x (1 x) Ga g g Aumento delle dimensioni dei grani, con diminuzione 1,8 densità bordi di grano 1,7 1,6 Eg (ev) 1,5 1,4 1,3 1,2 b=0,15 b=0,24 1,1 1 0,9 0 0,2 0,4 x(ga) 0,6 0,8 1
Perché il CIGS è speciale Elevato coefficiente d assorbimento (gap diretto) La segregazione di fasi durante la crescita non induce importanti distorsioni nella struttura cristallina Le proprietà elettriche del CIGS sono estremamente tolleranti ai difetti; deviazioni dalla stechiometria, imperfezioni cristallografiche e bordi di grano danno luogo a difetti poco attivi Le vacanze di Cu diminuiscono la banda di valenza: deviazioni dalla stechiometria [Cu/(Ga+In)] da luogo a complessi di difetti neutri Quindi: alti livelli di deviazione dalla stechiometria e impurezze possono essere tollerate, in particolare per efficienze moderate < 15% Ma: il controllo delle proprietà elettroniche mediante doping estrinseco è difficile o impossibile - la formazione di giunzioni pn si affida ai difetti intrinseci. Ha ampi margini di miglioramento dell efficienza e riduzione dei costi Utilizzo di substrati flessibili
Evoluzione efficienza PV Si 25.5 22.9 CIGS 20.1 16.0 CdTe a-si 16.6 10.9 12.5 10.4
Sequenza deposizione strati cella CIGS Vuoto Non vuoto Sputtering, CVD PVD, CVD PVD, Sputtering Selenizzazione Mo sputtering (PVD, SiN, SiO x,..) Ni:Al Finestra TCO (ITO, ZnO(Al) Buffer ZnO-i Eterogiunzione n-p (CdS, ZnS) CIGS Back contact / (Barrier) Vetro soda-lime/ Acciaio/ kapton 0.5 μm 300 nm 100 nm APCVD, Chimica(?) 50-70 nmchemical Elettrodeposizione/ 2 μm printing, Selenizzazione 1 μm PVD Mo, Cr (Sol gel, SiN, SiO x,..) 12
Realizzazione modulo
Deposizione CIGS Vuoto Non vuoto Sputtering, CVD PVD, CVD PVD, Sputtering Selenizzazione Mo sputtering (PVD, SiN, SiO x,..) Ni:Al Finestra TCO (ITO, ZnO(Al) Buffer ZnO-i Eterogiunzione n-p (CdS, ZnS) CIGS Back contact / (Barrier) Vetro soda-lime/ Acciaio/ kapton 0.5 μm 300 nm 100 nm APCVD, Chimica(?) 50-70 nmchemical Elettrodeposizione/ 2 μm printing, Selenizzazione 1 μm PVD Mo, Cr (Sol gel, SiN, SiO x,..) 12
Metodi deposizione: co-evaporazione Co-evaporazione - Rate costanti Cu Ga In Se Film attivo CIGS Contatto retro Substrato T> 500 C Multi stage process Cu ricca, In ricca Gradiente di In/Ga e Se Record di efficienza K. RAMANATHAN ET AL. Prog. Photovolt: Res. Appl. 2003; 11:225 230
Metodi deposizione: precusrori Metodo basato sui precursori - Film metallico + gas Cu Ga In Se Evaporazione + selenizzazione Cu Ga In Se Film metallico Cu Contatto retro Substrato Sputtering Annealing CIGS Contatto retro Substrato T> 500 C Selenizzazione Se Film metallico Cu/In/Ga Contatto retro Substrato Sputtering Annealing CIGS Contatto retro Substrato
CIGS alta efficienza Area 0.5 cm 2 ZSW 1 NREL 2 HZB 3 Valori migliori Voc (mv) 720.4 691.8 702.5 720 Jsc (ma) 36.33 35.74 35.63 36.5 FF (%) 76.78 81.03 77.52 81.2 η (%) 20.3 20 19.4 21.3 25? Massima efficienza simile Si cristallino? 1 ZSW annucio sito 2010 2 I. Repins et al. Progress in Photovoltaic: Research and Appl. 16 (3) 235-239, 2008 3 HZB, 24th PVSEC Hamburg 2010
Tecnologia CIGS: quo vadis? Convergerà la tecnica di deposizione? Capacità produttiva attuale 300 MW Co-evaporazione Co-sputtering 1000 MW costo < 0.5 W/ Cristallo singolo Evaporazio ne da sorgente singola Substrato: vetro, Fogli metallici o polimerici Sputtering Printing Elettrodeposizione Aumento della diversificazione processi Nuovi Processi? Vetro o flessibile Efficienza modulo 20% 1974 1976 1978 2010
Industrie produtrici CIGS Produzione moduli CIGS 300MW/anno Solyndra, CA Global Solar Energy, AZ MiaSole, CA SoloPower, CA NanoSolar Inc. CA Ascent, CO DayStar Technologies, CA Energy Photovoltaics, NJ HelloVolt, TX ISET, CA Stiori, CA RESI, NJ JNL, Solar, CA Telio Solar, CA Aqt, CA Nuvo Sun, CA XSunX, CA Sun King Solar, CA Amelio Solar, NJ Showa Shell (Solar Frontier)Japan AVANCIS, Germany Wurth Solar, Germany Solibro, Sweden Honda, Japan SULFURCELL, Germany CISEL, France Filsom, Switzerland Johanna Solar Tech, Germany Odersun, Germany Pvflex, Germany Scheuten Solar, Holand Solarion, Germany Centrotherm, Equipment, Germany Manz, Equipment, Germany Veeco, Equipment, MN
Film sottili: riduzione dei costi Sean E. Shaheen et All. MRS BULLETIN VOLUME 30 JANUARY 2005
Film sottili: problematiche Con l aumentare della maturità della tecnologia a film sottile, i costi saranno dominati dal materiale La copertura in vetro L incapsulante Supponendo il limite inferiore per il costo del materiale di circa 24 /m 2, un efficienza di conversione del 15% (150 W/m 2 ), determinano un costo minimo del modulo di circa 0.16 /W p e di un costo di generazione dell energia di circa 0.015-0.031 /kwh Ulteriori riduzioni dei costi richiedono materiali a basso costo con tecniche di deposizione e assemblaggio estremamente semplici o un aumento dell efficienza
Efficienza Limite termodinamico~ 94% Spettro solare AM1.5~ 74% Limite di Shockley Queisser Mancato assorbimento dei fotoni a bassa energia Termalizzazione dei portatori fotogenerati Ricombinazione
Multigiunzioni Una conversione ideale dell energia richiederebbe che l energia del fotone fosse leggermente maggiore del gap Utilizzando una sovrapposizione di celle a gap decrescente ottimizzeremmo la conversione Per una sovrapposizione infinita il limite teorico è 68% Problema importante è l adattamento delle correnti in uscita. Celle TANDEM
Celle solari tandem Film sottili a composti inorganici Celle solari doppie e triple a base silicio Bassi costi medio-basse efficienze Applicazioni terrestri Celle solari doppie e triple InGaP/GaInAs/Ge Alti costi alte efficienze Applicazioni spaziali (32%) Concentrazione (41.1%) η = 12 % A. Gordijn MRS Spring Meeting San Francisco 2005 η = 41% 454 sun area 5 mm² Fraunhofer ISE (DE)
Film sottili con composti organici Film sottili a composti organici Stabilità Celle solari a colorante organico e metallorganico (Dye sensitized solar cells) Celle solari a base di nano-strutture ibride organico/inorganico Efficienza = 10,4% Efficienza = 7,6% Tempi applicativi medi Tempi applicativi lunghi
CIGS per l alta efficienza/basso costo >25% efficienza Strutture tandem 1.7 ev 1.0 ev CIGS CIS 1.7 ev 1.0 ev Organiche CIGS Strutture tandem monolitiche Strutture tandem ibride
Possibilità per le differenti tecnologie Bassi costi: La riduzione dei costi è potenzialmente possibile per tutte le tecnologie, le celle sottili annoverano il vantaggio di riduzione del materiale necessario Particolarmente promettenti sono le celle CIGS Efficienza elevata: Le celle bulk di silicio si stanno avviando verso il limite teorico di conversione (31%). Le celle solari a film sottile promettono nuovi traguardi (celle tandem, triple..) Nuove applicazioni: I film sottili possono ampliare le applicazioni (flessibili, trasparenza selettiva) esempio integrazione architettonica Nel mercato c è spazio per le diverse tecnologie! Alcune aspetti quali durabilità, tossicità e scarsità del materiale potrebbero influenzare questo sviluppo E il futuro?
3 a generazione Alta efficienza Film sottile Abbondanza Non-tossico Durata 59
3 a generazione Materiali a Quantum Dots Celle a portatori caldi Materiali a banda intermedia metallica 60
Bandgap controllato da quantum dots X = Si or Ge or Sn SiO 2 (or Si 3 N 4, SiC) SiO 2 (or Si 3 N 4, SiO 2 +X (or Si 3 N 4, SiC) SiC) X Normalised PL Spectra (2-5nm dots; 300K) MA QUESTA E RICERCA! 5nm (270s) 4nm (240s) 3nm (180s) 2nm (120s) 0 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Photon energy, ev 100nm Zacharias et al., APL80, 661, 200
La ricerca in Italia Fonte: F. Ferrazza, J. Tonziello Quale Energia Anno VI, n 5 2008
Produttori di silicio e celle Rank 2009 Fornitore Produzio ne (MW) 2008 2009 Market Produzione Share (MW) Market Share Italia 1 First Solar (CdTe) 503 7,5% 1100 12,8 2 Suntech 494 7,3% 595 6,9 3 Sharp Electronics 511 7,6% 480 6,8 4 Q-Cells 574 8,5% 540 6,3 5 Yingli Gree Energy 282 4,2% 430 5 6 JA Solar 277 4,1% 400 4,7 L Italia? Sarà solo un mercato o potrà avere un ruolo industriale? Produttori silicio (<5000T) Produttori celle (<100MW) LUX X GROUP Estelux Solsonica NedSilicon ENIPower Ray-Solar Helios Technology Italsolar OmniaSolar Silfab CESI Italsilicon ARENDI (CdTe) 7 SunPower 236 3,5% 390 4,6 8 Kyocera 300 4,5% 390 4,6 9 Motech Industries 272 4,0% 360 4,2 10 Gintech Energy 220 3,3% 350 4,1 Altri 3065 45,5% 3435 40,1 Totale 6734 8470 63
Conclusioni Attualmente il mercato è dominato dal silicio cristallino ma le celle sottili a film sottili hanno ampio margine di crescita Esistono diverse opzioni per il fotovoltaico a film sottile. Alcuni aspetti quali durabilità, tossicità e scarsità dei materiali devono essere risolti I film sottili CdTe, micromorph/ amorphous Si e CIGS rappresentano l immediato futuro E crescente l interesse per celle organiche e dyesensitised.
Conclusioni Per raggiungere la piena potenzialità il fotovoltaico richiede alta efficienza e bassi costi Questi target sono l obiettivo per celle tandem a film sottile I nano-materiali offrono nuove strade per concetti avanzati. Per il futuro è richiesto un rinnovato impegno nella ricerca, insieme alla promozione dell uso del fotovoltaico e alla creazione di una piattaforma nazionale, come auspicato dalla Commissione Europea. Il fotovoltaico può diventare una fonte di energia importante, ma questo non avverrà per caso.
Grazie maurizio.acciarri@unimib.it
Un iniziativa italiana 1. Sviluppo di un metodo di crescita roll to roll di film di CIGS su acciaio e/o kapton scalabile a dimensioni industriali 2. Strutturazione dei moduli mediante tecnologia laser
Metodo di deposizione utilizzato Tecnica sperimentale di sputtering ibrido : Dc- sputtering dei metalli Evaporazione di selenio Geometria dell impianto studiata per deposizione roll-to-roll Substrati: vetro, acciaio, capton Parametri fondamentali di crescita: Rate di sputtering Temperatura di crescita (450-600 C) Evaporazione selenio (260 C) 6
Tecniche di crescita e caratterizzazione Deposizione Sputtering Mo, CIGS Sputtering ZnO, ITO, CdS Evaporatore (Al, Ni, Au) Bagno chimico CdS Deposizione SiO 2 o Allumina da sol gel (isolamento acciaio) Caratterizzazione Microscopia elettronica con EDX (morfologia e composizione) Microscopia Raman (composizione) Diffrazione raggi X (fasi cristalline -Dipartimento di Geologia) Misure resistività Banco ottico risposta spettrale Profilometro (spessore deposizioni) Spettrofotometro (assorbimento, trasmissione) Simulatore solare + I/V (parametri elettrici cella) SIMS (composizione Università di Trento)
Metodi di caratterizzazione XRD Tape-test Morfologia e composizione: SEM / EDX Campione di CIGS su vetro-molibdeno: 10 x 15 cm cella sezione spessore Dimensione 15x9 cm 2 7
Evoluzione risultati 12 Max efficiency 10 8 Efficiency (%) 6 4 2 0-2 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Sample