La tecnologia fotovoltaica Stato dell’arte e prospettive future Claudio Zini - Casalecchio, 21 gennaio 2008

Energia dal Sole L'energia solare è la fonte di energia primaria da cui deriva, direttamente o indirettamente, quasi tutta l'energia utilizzata dall’uomo. A parte la geotermia e l’energia nucleare, le altre fonti energetiche (termica da combustione di carbone, idrocarburi, gas, legno; eolica; idraulica) traggono origine dalla radiazione solare. La domanda mondiale annua di energia è di circa 8 miliardi di TEP (Tonnellate Equivalenti Petrolio) La domanda annua di energia in Italia è di circa 167 milioni di TEP Il sole irradia sulla terra 19.000 miliardi di TEP ogni anno Ovviamente occorre tener conto della bassa densità energetica della fonte solare e della sua aleatorietà.

La potenza della radiazione incidente su una superficie perpendicolare ai raggi solari, ai limiti della atmosfera, è mediamente 1350 W/m2 (costante solare). Effetto di filtraggio dell’atmosfera (lo spettro della radiazione solare viene modificato sia quantitativamente, che qualitativamente) Il flusso di energia incidente al suolo dipende dalla latitudine, dalle condizioni atmosferiche, dal periodo dell'anno, dall'ora del giorno. In un giorno di cielo sereno, a 30 di latitudine nord, il valore dell'incidenza solare varia durante l'anno da 0.6 a 1 kW/m2.

La radiazione solare è massima all’equatore e diminuisce verso i poli Per la massimizzazione della produttività di un impianto solare è di fondamentale importanza la corretta installazione del sistema di captazione dell’energia solare. La radiazione solare incidente su una superficie in un dato periodo è funzione di : Latitudine della zona considerata La radiazione solare è massima all’equatore e diminuisce verso i poli Orientamento della superficie captante Nell’emisfero Nord, la superficie captante dovrebbe essere orientata verso Sud Inclinazione della superficie captante Inclinazione rispetto al piano orizzontale: - circa (L – 5°) per ottimizzare l’energia captata globalmente in un anno; - circa (L –12°) per massimizzare l’energia captata nel periodo estivo; - circa (L+12°) per massimizzare l’energia captata nel periodo invernale.

Esempio di valori di Insolazione annua media (dati rilevati nel periodo 1994-1999) Bologna: 1427 kWh/m2 Roma: 1516 kWh/m2 - Palermo: 1658 kWh/m2 Mappa della distribuzione dell’irraggiamento medio giornaliero solare

Elementi principali di un impianto fotovoltaico ENERGIA FOTOVOLTAICA I sistemi fotovoltaici (FV) permettono la conversione diretta di energia solare in elettrica Elementi principali di un impianto fotovoltaico sistema di generazione: le celle fotovoltaiche sistema di controllo e condizionamento della potenza eventuale sistema di accumulo dell’energia (batteria) struttura di sostegno

Un sistema fotovoltaico è composto da: Cella (l’unità costruttiva minima) Modulo (insieme di celle interconnesse in serie o in parallelo da giunzioni elettriche finalizzate alla generazione di tensioni e correnti utilizzabili negli impieghi comuni) Pannello (uno più moduli installati su di una struttura rigida) Stringa (insieme di pannelli connessi in serie per realizzare tensioni efficaci) Campo (o Generatore) fotovoltaico (insieme di una o più stringhe connesse in parallelo)

La conversione della radiazione solare in una corrente di elettroni avviene nella cella fotovoltaica. È costituta da materiale semiconduttore drogato e può avere varie misure ed essere realizzata in diversi materiali.

Efficienza per varie tipologie di modulo fotovoltaico Tipo di modulo disponibili in commercio Silicio monocristallino Silicio policristallino Silicio amorfo Efficienza dei moduli 14 - 17 % 11 - 14 % 5 - 7 %

Intensità della radiazione = 1000 W/m2 Temperatura della cella = 25 °C Le prestazioni dei moduli FV sono legate alle caratteristiche della radiazione solare e della temperatura esterna. Per quantificare le loro prestazioni occorre riferirsi a delle condizioni standard: Intensità della radiazione = 1000 W/m2 Temperatura della cella = 25 °C Massa d’aria: AM 1.5 La massa d’aria è un parametro utilizzato per tener conto dello spessore dello strato di atmosfera attraversato dalla radiazione e dei conseguenti effetti di assorbimento, a seconda della posizione del sole nel cielo. Il dato di targa della potenza generata da una cella FV è espresso in Watt di picco (Wp), ossia si riferisce alla potenza di picco generata nelle condizioni standard.

Fonte: Luca Siragusa, IUAV

Fonte: Luca Siragusa, IUAV

Fonte: Luca Siragusa, IUAV

Impianti connessi in rete Elementi principali: generatore FV Inverter, per convertire la corrente generata dai moduli da continua in alternata Per utenze collegate alla rete elettrica

Impianti isolati moduli fotovoltaici regolatore di carica Elementi principali: moduli fotovoltaici regolatore di carica sistema di batterie di accumulo dell’energia eventuale inverter (nel caso in cui sia necessario alimentare l’utenza in corrente alternata). Per utenze non raggiunte dalla rete elettrica

LE APPLICAZIONI Sistemi isolati (“stand alone”) • rifugi di montagna • piccole isole • rilevazioni climatiche • ripetitori radio • boe di segnalazione • illuminazione stradale e da giardino • carica batterie • Paesi in via di sviluppo (refrigerazione, pompaggio, aree rurali) Sistemi connessi in rete • centrali di potenza • sistemi integrati negli edifici

Energia elettrica in corrente continua mediamente prodotta in un anno da 1 kWp di moduli Insolazione media annua (kWh/m² anno) Efficienza moduli (%) Superficie occupata da 1 kWp di moduli (m2) Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente continua (kWhe/kWp anno) MILANO 1372.4 12,5% 8 ROMA 1737.4 TRAPANI 1963.7 Energia elettrica mediamente prodotta in corrente alternata in un anno da 1 m² di moduli Insolazione media annua (kWh/m² anno) Efficienza moduli (%) Efficienza BOS Elettricità prodotta mediamente in un anno (kWhe/m² anno) MILANO 1372.4 12,5% 85 145.8 ROMA 1737.4 184.6 TRAPANI 1963.7 208.6

Presentazioni collegate: prof. Martinelli (UniFe) Ing. Sarno (Enea) dott. Armani (CNR) d.ssa Camaioni (CNR)

Celle solari a film sottili di Silicio cristallino MOTIVAZIONI Mercato Fotovoltaico dominato dalla tecnologia del Silicio cristallino con quota di mercato del 95% (2003) Il costo del wafer di Silicio incide per il 50% sul costo del modulo finito Tecnologia del Silicio cristallino a film sottile Potenzialità della tecnologia: Max h~21% su substrato di mono-Si (UNSW) Fonte: ENEA

Formazione dello strato attivo (wafer equivalent) Celle solari a film sottili di Silicio cristallino Formazione dello strato attivo (wafer equivalent) active layer (poly-Si) seeding layer (poly-Si) wetting layer (SiNx, AlN) diffusion barrier (SiO2) reflector (text) Substrate: T<600°C: glass, SS T>600°C: Alumina, mullite, graphite, HT-glass, low-cost Si, SiSiC Fonte: ENEA

Celle solari a film sottili di Silicio cristallino Progetto Europeo SUBARO SUBARO: Substrate and Barrier Layer Optimization for CVD-Grown Thin-Film Crystalline Silicon Solar Cells BBC: Buried Base Contact ZMR: Zone Melting Recrystallization Module developed by ISE using the BBC ZMR on ceramic substrates Fonte: ENEA

Celle solari a film sottili di Silicio cristallino Progetto Europeo SUBARO V PQ UE: Risultati Celle e moduli con efficienze ≤ 12% mediante processi industrializzabili. Costo finale previsto: 0,5-1 €/Wp contro gli attuali 1,5-2 €/Wp. Miglior substrato: SiN preparato per “tape casting” da polveri Si3N4. Tecnologia promettente per strati barriera: spin on a base di ossidi di silicio. Silicio depositato da fase vapore con reattori CVD ad alta resa in continuo. Risultato ENEA: realizzazione di celle one sided contact con processi laser assisted, serigrafici e spin on degli ossidi. (Warning: Nessuno deposita poly-Si in Italia!). Fonte: ENEA

Tecnologie fotovoltaiche innovative a basso costo StM + centri di ricerca chimica di Napoli. Polimeri conduttori di nuova generazione, chiave per la nuova frontiera del fotovoltaico diffuso. Polimeri con caratteristiche efficienti di assorbimento della luce, trasformazione in elettroni e trasporto di questi. Vernici, o gel da spruzzare sui muri, vetri o piastrelle. Nanotubi in carbonio. Università di Princeton. Obiettivo: realizzare una superficie fotovoltaica da spruzzare su fogli di plastica. Vernici fotovoltaiche da stendere sulle superfici delle abitazioni. Superfici tinteggiate di diversi colori, finestre fotovoltaiche. Laboratori Ucla (Los Angeles): un nuovo tipo di pannello solare in plastica composto da un singolo strato di un polimero rivestito da due elettrodi …. pellicola ultrasottile e ultraflessibile celle solari organiche h=5%=►10% Fonte: ENEA

Quantum dot solar cells Semiconduttore Quantum Dot Da: A.J. Nozik, “Quantum dot solar cells”, in “Next Generation Photovoltaics”, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP. Fonte: ENEA

Quantum dot solar cells Array ordinato di Quantum Dot Lo spazio tra i QDs è così ristretto che si forma un forte accoppiamento tra loro e si formano minibande per il trasporto “long-range” delle cariche. Le minibande rallentano il raffreddamento delle cariche e permettono il trasporto Dei portatori caldi (hot-carriers), innalzando il fotovoltaggio. Da: A.J. Nozik, “Quantum dot solar cells”, in “Next Generation Photovoltaics”, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP. Fonte: ENEA

Quantum dot solar cells Quantum Dots dispersi in una miscela di due polimeri: uno che conduce lacune e uno che conduce elettroni. Da: A.J. Nozik, “Quantum dot solar cells”, in “Next Generation Photovoltaics”, Ed. by A. MartÍ and A. Luque, IOP. Fonte: ENEA

Concentratori Solari Luminescenti (LSC) Fonte: ENEA

Concentratori Solari Luminescenti (LSC) Solar cells Soglie di assorbimento Red-shift Fonte: ENEA

Concentratori Solari Luminescenti (LSC) Idee: Integrare gli LSC in edilizia usandoli sia su pareti opache che come finestre fotovoltaiche. Utilizzo di Quantum Dot (QDs) al posto dei coloranti (dyes). Perché? Maggiore stabilità rispetto ai coloranti; Accordo della soglia di assorbimento fatto variando il “size” dei QDs. Quantum Dots realizzati con nanoparticelle di Silicio. (Collaborazione con Univ. Modena). Impiego di Filtri Dicroici interposti tra gli strati adiacenti per migliorare l’efficienza di raccolta della luce di luminescenza. (Collaborazione con Univ. Ferrara). Fonte: ENEA

Concentratori FV statici a microlenti Studio e sviluppo di microdispositivi per la concentrazione “adattativa” dei raggi solari (effetto girasole) integrati su supporti fotovoltaici Configurazione di partenza Asse di incidenza ottimale Microlente Asse di incidenza ottimale Raggi solari "Thermo-compliant mechanisms Microlente Raggi solari "Thermo-compliant mechanisms Supporto con rivestimento fotovoltaico Supporto con rivestimento fotovoltaico Configurazione deformata Fonte: DIEM

dei raggi solari (effetto girasole) integrati su supporti fotovoltaici Studio e sviluppo di microdispositivi per la concentrazione “adattativa” dei raggi solari (effetto girasole) integrati su supporti fotovoltaici Tipologie di installazione Per lo sviluppo del nuovo concetto di “thermo-compliant mechanisms”, delle relative lenti e quindi del nuovo sistema a “micro girasoli” su supporto fotovoltaico statico si prospetta una collaborazione tra: ENEA - UNIBO - DIEM (Dipartimento delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia)

Sistemi termofotovoltaici (TPV) Fonte: ENEA

Sistemi termofotovoltaici (TPV) Spettro di emissione Filtro dielettrico a 9 strati Power spectrum su cella Quantum Yield GaSb Fonte: ENEA

Sistemi termofotovoltaici (TPV) Progetto “Cogenerazione termofotovoltaica” in collaborazione con: UNIFE-DI, IMEM, BALTUR S.p.A. Cento (FE), Helios Technology. Obiettivo: sviluppo della tecnologia del “termofotovoltaico” (TPV), applicata a impianti di potenza inferiore a 100 kW, Produzione contemporanea e locale di energia termica ed elettrica in un rapporto ottimale per un uso residenziale e terziario. Rendimenti globali superiori al 90%. Sistemi considerati: caldaie a gas BALTUR per uso domestico, a basse emissioni e con bruciatore a superficie, da trasformare, mediante l’introduzione di celle FV sensibili all’IR, in sistemi di cogenerazione. Caldaia prototipo strumentata Bruciatore a superficie e camera di combustione. Schema matrice in acciaio/tela metallica Fonte: ENEA

Applicazioni del fotovoltaico in edilizia Le piastrelle fotovoltaiche (principale promotore della sperimentazione: Il Centro Ceramico Bolognese)