Tecnologie fotovoltaiche Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Tecnologie fotovoltaiche Autori: Kim Nagel Isa Zanetti Fonti: Corso Post diploma E.00 Energy Management Corso E.13 Architettura e E solare – parte 2 fotovoltaico Le celle fotovoltaiche e i moduli – Ivano Pola SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Indice SUPSI L’effetto fotovoltaico Tecnologie Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Indice L’effetto fotovoltaico Tecnologie Caratteristiche fisiche di celle e moduli (misure, forme, spessore, potenza, ecc) Definizione corrente e tensione Caratteristiche elettriche di un modulo, curva corrente (I) – tensione (V) Prodotti PV (colorati, semitrasparenti, ecc) Confronto tra tecnologie SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

L’effetto fotovoltaico Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 L’effetto fotovoltaico La conversione da luce a energia elettrica avviene quando i fotoni, colpendo la cella fotovoltaica, generano elettroni e lacune, che vengono spinti in direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso. Le cariche positive (lacune) sono spinte verso un lato della cella e le cariche negative (elettroni) verso l'altro. Se le due facce (inferiore e superiore della cella) sono collegate mediante un conduttore, le cariche libere lo attraversano e si osserva una corrente elettrica. Fino a quando la cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce sotto forma di corrente continua. Un fotone avente energia sufficiente che colpisce la giunzione di un semiconduttore genera il passaggio di un elettrone al suo interno, mentre un fotone non avente energia sufficiente viene dissipato tramite calore. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Tecnologie sul mercato Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Tecnologie sul mercato SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Le 3 principali tecnologie sul mercato PV Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Le 3 principali tecnologie sul mercato PV Tecnologia cristallina Tecnologia film sottile Anche: CdTe CIS Altri sistemi in via di sviluppo: organic PV (dye sintetized); PV ad alta concentrazione SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Tecnologia cristallina Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Tecnologia cristallina Silicio cristallino (oggi 90% del mercato) Silicio monocristallino (sc-Si) in cui ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo), opportunamente drogato in modo da realizzare una giunzione p-n. Silicio policristallino (mc-Si), in cui il wafer di cui sopra non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati. Tecnologia a film sottile (oggi il 10% del mercato, ma crescerà fortemente nei prossimi anni) Silicio amorfo (a-Si), in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno. Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio (spessori dell'ordine del micron). SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Tecnologia cristallina Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Tecnologia cristallina Tecnologia sc-Si Tecnologia mc-Si Tecnologia a-Si SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Caratteristiche fisiche – Celle (sc-Si e mc-Si) Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Caratteristiche fisiche – Celle (sc-Si e mc-Si) - Le misure più comuni sono: 10 x 10 cm 12,5 x 12,5 cm 15 x 15 cm - Le forme più comuni sono: quadrate, quadrate con smussatura sugli angoli, circolari - Lo spessore tipico è compreso tra 0.25 e 0.35 mm - La potenza tipica è di ca. 1,5 Watt 1° linea: forma delle celle 2° linea: motivo prodotto dall'assemblaggio di celle 3° linea: zoom sugli spazi tra celle SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Tipologie di contatti & celle colorate Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Tipologie di contatti & celle colorate Ogni cella ha uno strato antiriflesso per limitare le perdite. Mediante questo strato si possono ottenere vari effetti colorati (ma il rendimento diminuisce del 15-30%). SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Utilizzo della tecnologia a film sottile Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Utilizzo della tecnologia a film sottile Senza vetro substrato: acciaio copertura: polimero (non vetro) Semitrasparente substrato: vetro copertura: vetro Flessibile substrato: polimero copertura: polimero SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Tecnologie a film sottile Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Tecnologie a film sottile CdTe Telllurio di Cadmio Culn Sez. Seleniuro di rame e di indio (CIS) Dye Sensitized Solar Cell (DSSC, DSC o DYSC) Concorrenziale (rispetto a c-Si per grandi impianti) Tellurio: limitata disponibilità (utilizzato però quasi solo per il PV) Cadmio: tossico Molto stabile Contiene Cadmio Indio: mediamente tossico In fase di sviluppo Abbondante disponibilità Colorante composto da molecole organiche (simile alla clorofilla o all’emoglobina) SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Moduli e celle semitrasparenti Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Moduli e celle semitrasparenti Tedlar / Eva / Vetro Vetro / Eva / Vetro SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Corrente & tensione SUPSI Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Corrente & tensione Corrente: quantità di carica che passa ogni secondo da una sezione di circuito. Tensione: differenza di potenziale, cioè di forza o potenza, tra i due poli di un circuito che per effetto di una legge simile a quella dei vasi comunicanti, porta l'energia dal polo positivo al polo negativo (legge di compenso). Analogia: l’elettricità può essere paragonata ad un fiume, maggiore è il suo dislivello, più l'acqua scorre velocemente verso valle, se il fiume si ingrossa aumenta la sua portata. L’elettricità segue un concetto simile, la tensione (Volt) possiamo immaginarla come il dislivello del fiume, la corrente (Ampere) possiamo immaginarla come la portata d'acqua del fiume e la potenza (Watt = Tensione * Corrente) é assimilabile ad una grandezza che potremmo definire come il prodotto della portata per la velocità dell'acqua. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Caratteristiche elettriche di un modulo – Curva I - V Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Caratteristiche elettriche di un modulo – Curva I - V Tensione (V) Corrente (A) Potenza (W) Carta d’identità del modulo Pm = potenza massima Isc = corrente di corto circuito Voc = tensione di cicuito aperto FF = Fill factor (fattore di riempimento) Isc Isc • • Pm = Im*Vm lm P = I*V Vm • VOC SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Variazioni d’irraggiamento Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Variazioni d’irraggiamento Pm Corrente [A] Tensione [V] Dati etichetta Isc direttamente proporzionale all‘irraggiamento G; Voc influenzata minimamente Voc già elevata a piccoli irraggiamenti (!) Risultato: se G cresce anche Pm aumenta SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Variazione di temperatura (per i moduli c-Si) Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Variazione di temperatura (per i moduli c-Si) Tensione [V] Corrente [A] Pm 10°C 70°C Voc diminuisce sensibilmente con la temperatura, relazione lineare; Isc resta quasi invariata Cristallini: -0.4 %/°C se T > 25°C e +0.4 %/°C se T < 25°C Amorfo: -0.2 %/°C se T > 25°C e +0.2 %/°C se T < 25°C SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Efficienza di conversione ƞ Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Efficienza di conversione ƞ Percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene trasformata in energia elettrica. Solar – Fabrik Series SF 130/4 η = Pmodulo / Area [W/m²] Pluce [W/m²] 130 W / (1.485 *0.663) m² Rendimento modulo 13.2% η = 1000 [W/m²] SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Efficienza di conversione Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Efficienza di conversione Materiale della cella Rendimento del modulo Superficie PV necessaria per 1kW Monocristallino 11 – 16 % 7 – 9 m2 Policristallino (EFG) 10 – 14 % 8 – 9 m2 Policristallino 8 – 10 % 9 – 11 m2 CIS 6 – 8 % 11 – 13 m2 Film sottile (a-Si) 4 – 7 % 16 – 20 m2 Maggiore è il rendimento (efficenza), minore è l‘area PV necessaria per ottenere un impianto da 1 kWp Efficienza (Percentuale di energia contenuta nelle radiazioni solari che viene trasformata in energia elettrica) Modulo mono cristallino = 13-16% Modulo multi cristallino = 11-13 % Modulo a film sottile = 5-10 % Lampadina ad incandescenza = 10% Lampadina a risparmio energetico = <50% Motore di un automobile = ca. 30% Il metodo EFG (Edge-defined Film Growth) consiste nell'ottenere un nastro di silicio monocristallino mediante un processo di trafilatura (figura accanto). Il nastro viene ottenuto mediante il passaggio, per effetto capillare, attraverso una fessura in cui sale il silicio liquido. Esistono alcuni problemi riguardo la purezza dei cristallo dovuti al fatto che il silicio fuso si presenta come un ottimo solvente e pertanto raccoglie le impurità della trafila. Il vantaggio rispetto al sistema di fusione in stampi consiste nel risparmio di materiale che questo procedimento permette. Comunque con il processo EFG sono state ottenute celle con rendimento dei 13%. SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Confronto fra tecnologie Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Confronto fra tecnologie SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA

Sistemi solari attivi a scala di edificio: fotovoltaico: modulo 2 _ lezione 2 Conclusioni Fattori che influenzano il funzionamento di un modulo fotovoltaico: Irraggiamento Temperatura Area Orientamento ed inclinazione Tecnologie principali PV: sc-Si mc-Si a-Si grande varietà di moduli: dimensioni, caratteristiche elettriche e ottiche (trasparenza e colorazione) P = I * V dipende da irraggiamento, temperatura, area Se G  allora P  Se T  allora: per c-Si, P  [Coeff. potenza  -0.4%/°C] per a-Si, P  [Coeff. potenza  -0.2%/°C] SUPSI Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana Dipartimento Ambiente Costruzioni e Design Istituto di Sostenibilità Applicata all’ Ambiente Costruito UNIVERSITÀ DELLA SVIZZERA ITALIANA ACCADEMIA DI ARCHITETTURA