FONTI RINNOVABILI ENERGIA SOLARE TERMICA ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA ENERGIA GEOTERMICA ENERGIA EOLICA Reggio Emilia, 26/01/2008

IMPIANTI SOLARI FOTOVOLTAICI TECNOLOGIA ED APPLICAZIONI

Tecnologia fotovoltaica -sostenibilità Energia grigia E’ la quantità di energia necessaria al ciclo completo di fabbricazione di un modulo (estrazione materie prime, trasporto, lavorazione). Tempo di recupero energetico E’ il tempo necessario al modulo per produrre una quantità di energia uguale alla propria energia grigia. Fattore di rimborso energetico E’ il rapporto tra la durata di vita di un modulo e il suo tempo di recupero energetico (oppure tra Etot ed Egrigia).

Tecnologia fotovoltaica - sostenibilità Nella sua vita, un modulo fotovoltaico produce da 4 a 10 volte più energia di quella che è stata necessaria per fabbricarlo. Solo i sistemi energetici che utilizzano le fonti rinnovabili hanno un fattore di rimborso energetico superiore a 1.

Materiali semiconduttori I semiconduttori sono materiali le cui proprietà elettriche si trovano a metà strada tra quelle dei materiali conduttori e quelle degli isolanti. Le particolari proprietà dei semiconduttori sono dovute alla loro struttura cristallina; A differenza dei metalli, I semiconduttori hanno portatori di carica sia negativa (elettroni) sia positiva (lacune), la cui densità può essere controllata introducendo altri elementi (drogaggio) nella fase di crescita del cristallo.

Materiali semiconduttori (1) Il silicio puro ha quattro elettroni nel guscio esterno e cristallizza in forma romboidale: ogni atomo giace al centro di un tetraedro regolare con quattro atomi adiacenti negli spigoli uniti da un legame covalente.

Materiali semiconduttori (2) Nel silicio puro tutti gli elettroni sono interessati da legami ed il materiale si dovrebbe comportare come un isolante, in realtà è sufficiente una piccola quantità di energia per rompere un legame e rendere libero un elettrone.

Materiali semiconduttori (3) Per creare una differenza di potenziale necessaria alla produzione di energia elettrica è necessario raccogliere e separare le cariche di segno opposto; ciò è possibile introducendo nel materiale semiconduttore delle impurità, dette “droganti”, in grado di modificare le proprietà elettriche del materiale.

Materiali semiconduttori (4) Se si introducono nel cristallo delle sostanze pentavalenti (fosforo, antimonio o arsenico), gli atomi delle impurità andranno a sostituire un uguale numero di atomi del semiconduttore nel reticolo cristallino; quattro dei cinque elettroni di valenza occupano legami covalenti con gli elettroni di quattro atomi tetravalenti adiacenti, il quinto elettrone che non partecipa a nessun legame covalente, a causa della sua bassa energia di legame a temperature ordinarie è libero di muoversi all’interno del cristallo accrescendone così la conducibilità. Le impurità pentavalenti producono un aumento di elettroni di conduzione ed il silicio così drogato è detto di tipo n.

Materiali semiconduttori (5) L’introduzione di sostanze trivalenti (indio, boro o gallio) porta ad un aumento della densità di lacune ed il silicio così drogato è detto di tipo p. In cristallo di tipo n i portatori di maggioranza sono gli elettroni e i portatori di minoranza sono e lacune, viceversa in un cristallo di tipo p.

zona di carica spaziale Giunzione p-n Due strati sottili di silicio p e silicio n vengono messi a contatto in quella che è comunemente chiamata giunzione p-n nella zona di contatto fra il silicio di tipo p e quello di tipo n si crea una differenza di potenziale, detta zona di carica spaziale, in cui ioni accettatori e donatori sono neutralizzati dalle rispettive lacune ed elettroni tipo p lacuna tipo n ione accettatore donatore elettrone zona di carica spaziale

Effetto fotovoltaico La cella è una sottile fetta di materiale semiconduttore in grado di trasformare la radiazione solare incidente in energia elettrica tramite l’effetto fotovoltaico.

Effetto fotovoltaico (1) La trasformazione fotovoltaica è possibile allorquando un fotone incidente possiede sufficiente energia per eccitare un elettrone dalla sua banda di valenza a quella di conduzione e creare quindi una coppia di cariche elettriche di segno opposto (elettrone-lacuna).

Effetto fotovoltaico (2) Energia associata ad un fotone c velocità della luce nel vuoto [m/s] l lunghezza d’onda [m] n frequenza [1/s] h costante di Planck (6.6262·10-34 Js)

Effetto fotovoltaico (3) L’energia necessaria ad eccitare un elettrone, alla temperatura ambiente, dipende dalla struttura del materiale semiconduttore . Solo i fotoni con lunghezza d’onda sono in grado di creare coppie elettrone-lacuna Silicio (Si) Eg = 1.1 eV Arseniuro di Gallio (GaAs) Eg = 1.4 eV

Effetto fotovoltaico (4)

Effetto fotovoltaico (5) La lacuna di una coppia lacuna-elettrone fotogenerata sul lato p rimane sul lato p a causa della repulsione del campo elettrico, mentre l’elettrone corrispondente è spinto verso il lato n della giunzione. Una situazione speculare accade per una coppia lacuna-elettrone fotogenerata sul lato n. Le coppie di cariche elettrone-lacuna generate dal bombardamento di fotoni vengono quindi separate dal campo elettrico in prossimità della giunzione e danno luogo ad una corrente quando il dispositivo viene collegato ad un carico.

La cella fotovoltaica xj Lp xm l=0.5 0.7 0.9 1.0 1.1 n p La cella fotovoltaica non è altro che una giunzione p-n realizzata su una grande superficie.

La cella fotovoltaica Le dimensioni vanno da 1 cm a circa 10 cm Produce una potenza tra 1 e 2 W Non adeguata per la gran parte delle applicazioni

Caratteristica I-V della cella ph I d sh R s + - V

Caratteristica I-V della cella (1) In una cella ideale non sono presenti perdite resistive collegate al processo fotovoltaico; al contrario in una cella reale sono presenti: Resistenza di serie (Rs), causata dal contatto tra semiconduttore e metallo Resistenza di shunt (Rsh), dovuta alla resistenza di Ohm nel semiconduttore; la resistenza di shunt è dovuta alla presenza di correnti di dispersione presso il bordo della cella.

Caratteristica I-V della cella (2) Se la resistenza del carico è nulla la corrente è pari a Isc (corrente di corto circuito) In assenza di corrente ai due poli terminali della cella si ha una tensione pari a Voc (tensione a circuito aperto). La potenza P generata dalla cella, pari al prodotto I·V, raggiunge un massimo PMPP in corrispondenza del ginocchio della curva; tale punto viene indicato con MPP (Maximum Power Point) ed è caratterizzato da un valore di corrente (IMPP) e di tensione (VMPP).

Caratteristica I-V della cella (3) L’equazione caratteristica della cella può essere derivata dalle leggi di Kirchhoff dove I0 è la corrente inversa di saturazione data da:

Iph Corrente fotogenerata (A) I0 Corrente inversa di saturazione (A) k Costante di Boltzmann (1.38·10-23 J/K) q Carica dell’elettrone (1.69·10-19 C) n fattore di idealità (1÷2 in funzione del tipo di cella solare) Rs Resistenza interna di serie (W) Rsh Resistenza di shunt (W) T Temperatura assoluta (K) C0 Coefficiente di temperatura della corrente di saturazione Eg Energy gap (eV) I Corrente di output (A) V Tensione di output (V)

Caratteristica I-V della cella (4) La resistenza corrispondente al punto di massima potenza è detta Resistenza caratteristica (Rc) Il rapporto tra la potenza massima generata e il prodotto di corrente di corto circuito e tensione a circuito aperto è detto Fattore di riempimento o Fill Factor (FF)

Efficienza della cella L’efficienza h della cella è definita come il rapporto tra la potenza massima generata e la potenza incidente della radiazione solare (Plight):

Efficienza della cella (1) Energia solare Energia riflessa 0÷1% Energia elettrica Cella fotovoltaica 20÷5% Calore 80÷94%

Efficienza della cella (2)

Efficienza della cella (3) L’energia che una cella può assorbire dipende dalle caratteristiche del materiale, in particolare per celle in silicio l’efficienza raggiunge i seguenti valori medi: Silicio monocristallino 15÷17 % Silicio policristallino 12÷14 % Silicio amorfo 6÷7 %

Efficienza della cella (4) Type Typical module efficiency [%] Maximum recorded module efficiency [%] Maximum recorded laboratory efficiency [%] Silicio Monocristallino 13-18 22,7 24,7 Silicio policristallino 11-14 15,3 19,8 Silicio amorfo 5-7 - 12,7 Cadmium telluride 10,5 16.0 CIGS 5-6 12,1 18,2

Caratteristica I-V della cella Caratteristiche I-V a differenti intensità di irraggiamento Caratteristiche I-V a differenti temperature della cella

Effetto della temperatura La temperatura influisce sulle prestazioni di una cella solare, in particolare su: Corrente di corto circuito Tensione a circuito aperto Un aumento di temperatura comporta una perdita di efficienza di trasformazione.

Effetto della temperatura (1) In un semiconduttore puro il numero di elettroni liberi è sempre uguale al numero di lacune; la conducibilità elettrica che ne deriva è detta intrinseca per distinguerla dalla conducibilità dovuta alle impurità. Nel silicio puro il numero di elettroni nella banda di conduzione è uguale al numero di lacune nella banda di valenza poiché le coppie elettrone-lacuna sono create o dall’assorbimento di un fotone o dall’eccitazione termica.

Effetto della temperatura (2) La concentrazione di portatori intrinseci n aumenta all’aumentare della temperatura secondo la relazione NC, NV: effettive densità di stato per le bande di conduzione e valenza ni la concentrazione dei portatori intrinseci, Eg il gap energetico k la costante di Boltzmann

Effetto della temperatura (3) La concentrazione di portatori intrinseci è data anche da: mde e mdh sono le densità di massa di stato effettiva di elettroni e lacune m0 è la massa dell’elettrone libero

Effetto della temperatura (4) Il gap energetico, in prossimità della temperatura ambiente, è con buona approssimazione lineare con la temperatura Silicio dEg/dT = -2.8·10-4 eV/K Eg(300 K)=1.12 eV

Effetto della temperatura (5) Al crescere della temperatura aumenta lo spettro utile di energia radiante incidente poiché diminuisce Eg ed anche fotoni con lunghezze d’onda più alte sono in grado di generare coppie lacuna-elettrone. Come esempio l’aumento di temperatura da 300 a 380 K porta ad un aumento della lunghezza d’onda utile di 19 nm:

Effetto della temperatura (6) Il coefficiente di temperatura TC per un generico parametro Z è definito La temperatura di riferimento Tn è pari a 25 °

Effetto della temperatura: Iph La corrente fotogenerata è data da Nl è la quantità di fotoni con lunghezza d’onda l che colpiscono la cella nell’unità di tempo hl è la risposta spettrale q è la carica dell’elettrone

Effetto della temperatura: Iph (1) La potenza incidente spettrale è data da La corrente fotogenerata è data quindi da ll è la lunghezza d’onda utile limite

Effetto della temperatura: Iph (2) Il maggior numero di portatori generato dall’aumento della lunghezza d’onda limite utile al crescere della temperatura si traduce in un aumento della corrente di corto circuito:

Effetto della temperatura: I0 La diminuzione del gap di energia tra la banda di valenza e quella di conduzione con l’aumento della temperatura rende possibile l’attivazione di un numero maggiore di elettroni per eccitazione termica. Questi portatori addizionali causano un incremento della corrente inversa I0 e, di conseguenza, una diminuzione della tensione a circuito aperto Voc

Effetto della temperatura: I0 (1) Il coefficiente di temperatura della corrente inversa in una giunzione ideale di silicio alla temperatura di 300 K e con Eg = 1.12 eV è quindi pari a: (%/K)

Effetto della temperatura: Voc Nell’ipotesi in cui Rsh>>Rs e Rsh>>V si ha: Per I =0 si ottiene Al crescere della temperatura, la corrente di saturazione aumenta più velocemente della corrente fotogenerata e questo si traduce in rapido calo della tensione a circuito aperto

Effetto della temperatura: Voc (1) La dipendenza della tensione di corto circuito con la temperatura è data anche da: Per una variazione della temperatura della cella da T0 = 300 K a 260 K si ha il termine (3kT/q) ln(T/T0) 9.6 mV risulta trascurabile per cui la tensione a circuito aperto è approssimativamente una funzione lineare con la temperatura:

Effetto della temperatura: Voc (2) La dipendenza della tensione di corto circuito con la temperatura è data anche da:

Effetto della temperatura: Voc (3) Nell’intervallo 260K < T0 < 300K il termine (3kT/q)∙ln(T/T0) risulta trascurabile per cui la tensione a circuito aperto è approssimativamente una funzione lineare con la temperatura: Nel caso in cui T0 = 300K, Eg0 = 1.21 eV, e Voc(T0) = 0.55 V, tipico delle celle al silicio, si ottiene dVoc/dT = -2.45 (mV/K).

Effetto della temperatura: efficienza L’aumento della temperatura della cella produce come principale effetto una riduzione della potenza massima in uscita (PMPP). La diminuzione della tensione a circuito aperto Voc, dovuta alla variazione esponenziale con la temperatura della corrente inversa di saturazione, è compensata solo in piccola parte dal piccolo aumento della corrente di corto circuito Isc.

Effetto della temperatura: efficienza La corrente di corto circuito e la tensione a circuito aperto presentano una proporzionalità diretta all’irraggiamento solare, ma la corrente di corto circuito cresce di poco all’aumentare della radiazione incidente. Risulta molto più evidente il ribasso di Voc dovuto all’innalzamento della temperatura della cella.

Effetto della temperatura: efficienza L’efficienza h di una cella solare o di un pannello è una funzione della propria temperatura Tcell e dell’irraggiamento F secondo la relazione: h0 è l’efficienza in condizioni di prova normalizzate STC (Standard Test Condition):

STC (Standard Test Conditions) Irraggiamento utilizzato per le prove, misurato con un dispositivo di riferimento: Temperatura della cella T0 = 25°C ± 2 °C Potenza irraggiata F = 1000 W/m2 Spettro solare AM 1.5.

Effetto della temperatura: efficienza Spesso nell’equazione precedente è omesso il termine di dipendenza dalla radiazione incidente e l’equazione valori forniti dai costruttori presentano valori di mh compresi tra 0.3 e 0.5 %K-1

Effetto della temperatura: efficienza