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 118 44100 FERRARA tel. +39 0532 974253 e-mail: martinelli@fe.infn.it
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
Consumo di energia elettrica in Italia 2007 (source: Energy autority, 2008) 330.000.000 MWh
Il 10% sono 33 milioni di MWh/anno Con 1MW si ottengono 1000 MWh/anno Quindi bisogna installare 33000 MW=33GW Siccome per 1MW servono 10Ton di feedstock Per 33000 MW occorrono 330000 Ton contro una produzione mondiale di 57000Ton 600 kwh/kg quindi introdotte in atmosfera 600 kg di CO2/kg di feedstock
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 (200-400 C) HSiCl 3 Feedstock HSiCl 3 HSiCl 3 HCl
Crescita Czochralski (1400 C) Lingotti monocristallini (fino a 8 ) 8 Tagli, Lappatura, Lucidatura Wafers (1 kg)
Silicio monocristallino Silicio policristallino
Consumo medio di petrolio pro capite (in Italia): 3 ton 25 barili Costo: 90 miliardi di all anno (supponendo 100 $/barile) La dipendenza da paesi stranieri e la stessa aleatorietà del costo al barile sono fattori estremamente negativi per la nostra economia. Se si realizzasse il 10% del fabbisogno nazionale si avrebbe un risparmio di 9 miliardi di euro all anno anno solo sull acquisto del petrolio.
Energia da distrubuire ed energia portatile
Greggio 3000 l/persona/anno Idroelettrico Gas naturale 1500 Perdite e altri impieghi 6 0 0 1 5 0 7 5 0 Perdite e altri impiegh trasporti industria Residen ziale commerci ale 90 miliardi di m 3 anno di GN per risc 360 milioni di MWh/anno
Dei 3000 litri di petrolio per persona si vede dal diagramma precedente che circa 1/9 viene impiegato per usi domestici: cioè 333 litri per cittadino 1 litro di combustibile = 4kWh elettrici Moltiplicando per i 60 milioni di abitanti 80 milioni di Mwh all anno che sarebbero circa 15 kwh/giorno per 15 milioni di famiglie
Consideriamo una città il cui nucleo cittadino consista di 100mila abitanti. Cioè 25mila famiglie. Ricordiamo 15kWh al giorno per famiglia. Pertanto il consumo di 25mila famiglie è di 137mila MWh/anno. Se consideriamo che un kw installato produce in un anno circa 1500 kwh Si trova che con 90 MW installati si può soddisfare il fabbisogno dell intera città Per 90 MW sono necessari circa 100 ettari=1km 2
Esempi di concentrazione FOCUS DISH
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
Sistemi fotovoltaici a concentrazione Amonix, Tempe, AZ Solfocus, Mountain View, CA UC Merced, Merced CA Concentrix Solar GmbH
Fotovoltaico per concentrazione Piatto parabolico con una concentrazione di 500X, da Solar System
Tracking
C Power - spin off di UNIFE
Guasco Solar (Spectrolab) (Spectrolab) Isofoton-ES Isfoc-ES (Fraunhofer) (Dishes) EMCORE Corp.
Multi-giunzione in serie
Inserire slide con vantaggi separazione spettrale vs. multigiunzione
I VANTAGGI DELLA SEPARAZIONE SPETTRALE 1) La concentrazione solare permette di ridurre sensibilmente l area del semiconduttore (ridurre i costi del sistema) 2) L inseguimento solare elimina il fattore coseno garantendo un aumento della resa energetica del 25-30% 3) La separazione spettrale della radiazione solare tramite specchi dicroici abbinato all utilizzo di più celle di conversione fotovoltaica garantiscono un elevato aumento dell efficienza di conversione
I VANTAGGI DELLA SEPARAZIONE SPETTRALE I sistemi a concentrazione e separazione spettrale rappresentano una semplificazione tecnologica rispetto all approccio a multigiunzione. In particolare, i sistemi a concentrazione e separazione spettrale permettono di: 1) RIDURRE SENSIBILMENTE I FENOMENI DI SURRISCALDAMENTO DI CELLA (il sistema di separazione spettrale distribuisce l energia su un area maggiore e migliora la dissipazione termica) 2) ELIMINARE GLI SVANTAGGI DOVUTI ALL ABERRAZIONE CROMATICA 3) AVERE FATTORI DI CONCENTRAZIONE DIFFERENTI SULLE DIVERSE CELLE FOTOVOLTAICHE
GIUNZIONE SINGOLA MULTIGIUNZIONE IN SERIE MULTIGIUNZIONE IN PARALLELO CON SEPARAZIONE DEL FASCIO
Primo prototipo di sistema a concentrazione fotovoltaica presso l Università di Ferrara A sinistra sono visibili i quattro specchi parabolici su cui sono posizionati i filtri dicroici per la separazione spettrale della luce solare. A destra si notano le due celle su cui viene indirizzata la luce con diverso contenuto spettrale: le celle al silicio ricevono la componete infrarossa dello spettro, mentre le celle all InGaP ricevono la componente ultravioletta dello spettro.
I componenti del sistema SISTEMI FOTOVOLTAICI A CONCENTRAZIONE E SEPARAZIONE SPETTRALE SCHEMA A BLOCCHI Concentratore ottico Sistema di separazione spettrale Celle InGaP Celle al silicio Sistema di inseguimento
Prima ingegnerizzazione del sistema a concentrazione fotovoltaica Sistema progettato e realizzato presso l Università di Ferrara con la collaborazione dell Università di Trento
Realizzazione di specchi dicroici per la separazione spettrale della luce 1 µm (0.001 mm) Substrato di vetro SPECCHIO DICROICO COMPONENTE RIFLESSA (BLU) PINZETTA DI SOSTEGNO COMPONENTE COMPONENTE RIFLESSA TRASMESSA (ROSSA)
Sistema di Array
Supporti virtuali-lepecvd reactor Heater Substrate SiH 4, GeH 4, PH 3 inlet Auxiliary anode Plasma focusing coils Ar inlet Plasma source
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
E stata realizzata presso UNIFE una camera pulita in grado di ospitare l apparecchiatura necessaria alla realizzazione di celle fotovoltaiche III-V
CONCLUSIONI Riteniamo che per ottenere quantitativi di energia elettrica significativi (10%del fabbisogno nazionale) debbano essere verificate le seguenti condizioni: 1) Disponibilità senza limite di materiale di base 2) Efficienze molto elevate (>30%) 3) Costi competitivi per eliminare rapidamente la dipendenza dagli incentivi 4) Intervento delle istituzioni per l organizzazione e la gestione di un contributo energetico così importante; in assenza di questo, opereranno le leggi del libero mercato.