L affascinante viaggio dalla meccanica quantistica al fotovoltaico? Open Day Catalina Curceanu, LNF-INFN 17 maggio 2014
La Tecnologia fotovoltaica 3
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(1900 1930) Planck, Einstein, Bohr, Sommerfeld Heisenberg, De Broglie, Compton, Schrödinger, Born, Pauli, Jordan, Kramers, Dirac, Wigner,
Conferenza di Solvay (1927)
Descrive il comportamento di oggetti molto piccoli Principio di indeterminazione di Heisenberg: Tanto piu precisamente conosciamo la posizione di un oggetto, tanto meno precisamente conosciamo il suo impulso Per la descrizione di oggetti come l atomo, e/o ancora piu piccoli (particelle), c e bisogno della meccanica quantistica. Heisenberg nel 1925, all eta di 24 anni
Nascita della m.q. generata da una serie di esperimenti inspiegabili dal punto di vista classico (senso comune!) (irraggiamento del corpo nero, righe spettrali atomiche, effetto fotoelettrico, ) La m.q. ha rivoluzionato la descrizione dell universo fisico; il mondo microscopico (atomi, molecole, particelle) si comporta in maniera molto diversa da come si comportano gli oggetti macroscopici della nostra esperienza quotidiana. anche paradossi e bizzarrie, tuttora un fertile argomento di ricerca in fisica.
3) L EFFETTO FOTOELETTRICO corpuscoli di luce Effetto fotoelettrico: emissione di elettroni da un metallo che si verifica quando esso è colpito da radiazione e.m. con una frequenza superiore ad un certo valore di soglia che dipende dal tipo di metallo. (Sfruttato oggi nelle cellule fotoelettriche e per l uso dell energia solare).. Fatti inspiegabili con l usuale descrizione ondulatoria: 1) l energia cinetica degli elettroni uscenti dipende solo dalla frequenza della radiazione e non dalla sua intensità. 2) L emissione di elettroni avviene in maniera istantanea e non c è mai ritardo, indipendentemente dalla intensità della radiazione
Einstein (1905) spiegò il fenomeno portando alle estreme conseguenze l idea di quantizzazione di Planck: la radiazione è costituita da quanti di energia, ( lichtquanten ) in seguito chiamati FOTONI. (Nobel) Spiegazione dell effetto fotoelettrico: un elettrone assorbe un fotone di energia hn e quando tale energia è superiore al lavoro di estrazione dal metallo W, viene espulso da questo E c max hn W L intensità della luce non influenza tale processo, ma solo la corrente, cioè il flusso d elettroni (questo perché l intensità è proporzionale al flusso di fotoni) La frequenza di soglia si ottiene quando E c max = 0, e quindi n th =W/h (usato per la misura di h)
Ritorno ad una descrizione corpuscolare della radiazione (Newton). Come è in accordo ciò con la descrizione dei fenomeni d interferenza e diffrazione della luce, perfettamente spiegati dalla descrizione ondulatoria della radiazione? Prima comparsa del dualismo ondaparticella.
ONDE DI MATERIA DI DE BROGLIE (1924) La radiazione elettromagnetica presenta sia aspetti ondulatori sia corpuscolari. Per simmetria ci si può aspettare che ciò accada anche per la materia. Ipotesi di de Broglie (1924): la materia può comportarsi come un onda: ad ogni particella che si muove con quantità di moto p, viene associata un onda piana di lunghezza d onda h p h mv Le particelle possono presentare quindi fenomeni di interferenza e diffrazione. La diffrazione degli elettroni fu verificata sperimentalmente la prima volta nel 1927 da Davisson e Germer.
La radiazione solare 15
Proprietà della luce La luce solare è una forma di radiazione elettromagnetica Lo spettro elettromagnetico descrive la luce come un onda con una particolare lunghezza d onda (Young, Arago e Fresnel ) La luce solare è costituita da pacchetti di particelle con determinate energie i fotoni (Planck, Einstein ) 16
Radiazione e.m. 17
La costante solare Intensità media della radiazione solare incidente in direzione normale ad una superficie posta al di fuori dell atmosfera terrestre w 0 = 1.353 W/m 2 (corrispondente alla distanza media Terra Sole) Variazioni di w nel corso dell anno (variazione della distanza reale Terra Sole: Data radiazione solare (W/m 2 ) Data radiazione solare (W/m 2 ) 1 Gennaio 1399 1 Luglio 1309 4 Gennaio 1399 3 Luglio 1309 1 Febbraio 1393 1 Agosto 1313 1 Marzo 1378 1 Settembre 1329 1 Aprile 1355 1 Ottobre 1350 4 Aprile 1353 5 Ottobre 1353 1 Maggio 1332 1 Novembre 1374 1 Giugno 1316 1 Dicembre 1392
Passaggio attraverso l atmosfera Mentre la radiazione solare incidente sull atmosfera terrestre è relativamente costante, quella incidente sulla superficie terrestre varia moltissimo a causa di: Effetti atmosferici (assorbimento, scattering) Variazioni locali dell atmosfera (vapori, nuvole, inquinamento) Latitudine del sito Stagione dell anno Ora del giorno 19
Mappe delle risorse solari Carta dell energia radiante su scala mondiale (mese di gennaio) (mese di agosto)
Mappe delle risorse solari Carta della massima energia radiante (mese di gennaio) (mese di agosto)
Come utilizzare questa energia? Effetto fotoelettrico! Importante: - la scelta dei materiali (silicio e oltre) - raccolta della corrente elettrica -... 22
1.0 160 140 0.8 100 80 0.4 0.2 40 20 0.0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 23
La cella solare Cos è? è un dispositivo elettronico capace di convertire direttamente la luce solare in elettricità Come? sfruttando le proprietà di conduzione sotto illuminazione di alcuni materiali semiconduttori Cella solare commerciale realizzata con tecnologia serigrafica su substrato di silicio multicristallo Area : 243 cm 2 24
Struttura di una cella solare -1 Una cella solare si può schematizzare come: un diodo a giunzione nel substrato di silicio drogato di tipo p (base) vengono diffuse impurezze di fosforo per creare uno strato di tipo n (emitter) e quindi realizzare la giunzione pn emitter (n) base (p) Tramite la giunzione pn i portatori di carica fotogenerati si separano e possono raggiungere i contatti metallici 25
Struttura di una cella solare -2... con contatti metallici sul fronte e sul retro Contatto di tipo n generalmente realizzato con argento Contatto di tipo p generalmente realizzato con alluminio Tramite i contatti metallici i portatori di carica possono fluire dal diodo verso un circuito esterno... 26
Struttura di una cella solare -3... collegato ad un circuito esterno Il collegamento del dispositivo ad un circuito esterno consente una circolazione di corrente I e la generazione di una tensione V ai capi del carico I V + una potenza elettrica P P = VI 27
Funzionamento di una cella solare Quando un fotone dotato di sufficiente energia viene assorbito dalla cella nel materiale semiconduttore si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto elettrone (-) lacuna (+) 28
Schema e nomenclatura di una cella solare Texturing e/o antiriflettente Contatto del fronte giunzione Il contatto del fronte è costituito da fingers e busbar Contatto del retro 29
Il modulo fotovoltaico Un modulo FV consiste di un insieme di celle solari elettricamente connesse e confezionate in un unica unità Tipicamente le celle vengono connesse in serie per aumentare la tensione d uscita del modulo. Generalmente un modulo è costituito da 36 celle per assicurare una tensione maggiore di 12 volts Le celle interconnesse vengono incapsulate (EVA+Tedlar+vetro), laminate ed infine viene montata la cornice 30
Il sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico è costituito da un insieme di moduli connessi in serie ed in parallelo a seconda dell utilizzo Nella connessione in serie : la tensione è la somma delle tensioni dei singoli moduli la corrente è pari alla corrente di ogni singolo modulo Nella connessione in parallelo : la tensione è pari alla tensione di ogni singolo modulo la corrente è pari alla somma delle correnti dei singoli moduli 31
Applicazioni dei sistemi FV Stand-alone Sistemi isolati perché alimentano direttamente un carico elettrico e la parte eccedente viene accumulata in apposite batterie Grid-connected Sistemi connessi ad una rete di distribuzione perché l energia viene convertita in corrente alternata per il carico utente e/o immessa nella rete con la quale lavora in regime di interscambio 32
La Tecnologia di processo 33
Eff [%] Evoluzione del fotovoltaico Efficienza 30 25 20 Laboratorio Produzione valori di picco su piccole aree 15 10 5 valori medi su grandi aree 0 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Anno 34
Suddivisione della tecnologia II Generazione I Generazione 1 a Tecnologia basata su fette di silicio 2 a Tecnologia basata su film sottile III Generazione 3 a Sviluppo di concetti e tecnologie innovativi per raggiungere alte efficienze e bassi costi 35
2 a Materiali di base Silicio amorfo tecnologia nota e matura, versatilità bassa efficienza, instabilità, difficoltà di ottenere costi contenuti Eff. Commerciali attuali: 8-10 % (3Sun ) CdTe, CIS (CIGS) alta efficienza in laboratorio, stabilità, possibilità bassi costi tecnologie non mature 36
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Fenomeni che limitano l efficienza delle celle solari attuali ( ) 1 La radiazione di energia elevata viene in parte persa sotto forma di calore 2 Non idealità del diodo 3 Non idealità dei contatti metallici 3 Materiali non puri o con difetti della struttura cristallina Superando tali limiti si potrebbe raggiungere il limite teorico di efficienza 3 a 1 a 2 a 86,8 % 38
Il modulo fotovoltaico 39
Il modulo fotovoltaico Un modulo FV consiste di un insieme di celle solari elettricamente connesse e confezionate in un unica unità Tipicamente le celle vengono connesse in serie per aumentare la tensione d uscita del modulo. Generalmente un modulo è costituito da 36 celle per assicurare una tensione maggiore di 12 volts Le celle interconnesse vengono incapsulate (EVA+Tedlar+vetro), laminate ed infine viene montata la cornice 40
Moduli flessibili tedlar/policarbonato non trasparente RISVI Simona De Iuliis dicembre 2002 41
Applicazioni fotovoltaiche 42
Struttura di montaggio Sistema FV da tetto connesso alla rete elettrica Inverter Modulo PV laminato Sunlogger Contatore Alla rete elettrica 43
installazione... 44
Modularità... 45
Possibilità di monitoraggio del singolo modulo... 46
KIT COMPLETO per SISTEMI FOTOVOLTAICI per IMMISSIONE in RETE Moduli fotovoltaici Struttura in alluminio anodizzato Inverter, scatola di collegamento, cavi ed accessori di cablaggio PL800 47
Centro ENEA di Portici, Italia... Capacità del sistema : 3 kw p 48
Roma, Italia... 49
Pistoia, Italia... 50
Aeroporto di Bologna, Italia Capacità del sistema : 80 kw p RISVI Simona De Iuliis dicembre 2002 51...
Rimini, Italia... Capacità del sistema : 20 kw p RISVI Simona De Iuliis dicembre 2002 52
Tetto australiano (Sydney) con Plug&Power RISVI Simona De Iuliis dicembre 2002 53
Esempi di sistema FV Isola di Zannone, Italia stand-alone Gruppo di batterie 54...
Pumping System Djeno Village - Congo Republic 55...
Petrobel Platform PFSW2 - Alexandria, Egypt 56...
Pensilina fotovoltaica... 57
Costi Programma del Ministero dell Ambiente nel settore fotovoltaico (2001-2004) Programmi Bando nazionale (2001) Bandi regionali (2002-2003) Bandi regionali (2003-2004) Rifinanziamento Bando alta valenza architettonica Fondo 598 Ambiente Destinatari Enti locali, Università Risorse MATT e Regioni (M ) Contributo (%) Installazioni previste (MW) 10,5 75% 1,7 Tutti 30 70% 6 Tutti 48 65% 11 Enti locali, Università 19 75% 3,2 Enti locali 1,6 85% 0,15 Piccole-medie imprese 10 60% 3 TOTALE 119,1 25,05
Impiego attuale del solare fotovoltaico in Italia Gli impianti solari fotovoltaici possono essere raggruppati nelle quattro categorie: residenze non collegate alla rete; utenze non abitative non collegate alla rete; impianti fotovoltaici distribuiti collegati alla rete; impianti fotovoltaici centralizzati collegati alla rete.
Utilizzo attuale in Europa ed in Italia del solare termico e fotovoltaico Potenza Solare Fotovoltaica installata in Italia nel 2010
Europa: Potenza Solare Fotovoltaica installata 2000-2011 Fonte: European Photovoltaic Industry Association EPIA
Potenza Solare Fotovoltaica installata nel mondo 2010-2011
Fotovoltaico Italia: Scenario previsto al 2016 Fonte: European Photovoltaic Industry Association EPIA
Einstein pero Le nostre prospettive scientifiche sono ormai agli antipodi fra loro. Tu ritieni che Dio giochi a dadi con il mondo: io credo invece che tutto obbedisca ad una legge, in un mondo di realtà obiettive, che cerco di afferrare per via totalmente speculativa. Lo credo fermamente, ma spero che qualcuno scopra una strada più realistica o meglio un fondamento più tangibile di quanto non abbia saputo fare io. Nemmeno il grande successo iniziale della teoria dei quanti riesce a convincermi che alla base di tutto vi sia la casualità, anche se so bene che i colleghi più giovani considerano questo atteggiamento come un effetto di arteriosclerosi. Un giorno si saprà quale di questi due atteggiamenti istintivi sarà stato quello giusto." Albert Einstein (1926 Lettera a Max Born)
MQ future tecnologie: computr quantistico Oppure teletrasporto
Chi non resta sbalordito dalla meccanica quantistica evidentemente non la capisce Niels Bohr, 1927
TRANSCENDENCE