Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Nanotecnologie per il fotovoltaico e per l’illuminazione diffusa.

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1 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Nanotecnologie per il fotovoltaico e per l’illuminazione diffusa Michelangelo Ambrosio Dirigente di Ricerca INFN – Sezione di Napoli

2 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Scopo della presentazione Gli interventi Gli interventi, che il mondo della ricerca scientifica presenterà, possono essere suddivisi nelle seguenti tipologie: segnalare alle PMI che nello scenario mondiale si sta investendo in una certa tecnologia molto promettente di cui anche noi in Campania (a livello di centri di ricerca) abbiamo grosse competenze. mostrare alle PMI alcune tecnologie all’avanguardia che possono essere applicate in differenti contesti. proporre prodotti/servizi/tecnologie/materiali che sono sviluppati al momento al livello di prototipo funzionante e che richiedono sia una approfondita analisi del mercato e sia quel processo di industrializzazione per trasformarlo in un prodotto vendibile.

3 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Importanza del fotovoltaico La necessità di sviluppare nuove sorgenti di energia rinnovabile e compatibili con la tutela ambientale stimola la ricerca di nuove soluzioni tecnologiche che permettano la produzione di nuovi sistemi con alta efficienza e bassi costi. L'energia solare è molto abbondante. Per soddisfare il fabbisogno mondiale di energia, basterebbe trasformare in elettricità anche solo col rendimento dell'1% la radiazione solare che incide sui deserti. Questi coprono il 5% della superficie terrestre: 25 milioni di km 2. Perché, allora, non si risolvono tutti i problemi energetici sfruttando celle foto-voltaiche? La ragione è che le celle foto-voltaiche sono costose, mentre il loro rendimento è basso. Attualmente le celle di silicio cristallino hanno un rendimento di circa il 15%: trasformano in elettricità solo un sesto dell'energia dei raggi solari. Il costo per installare 1 kiloWatt di potenza elettrica fotovoltaica è di circa 8.000 €. Quello per installare 1 kW idroelettrico o termoelettrico è poco più di 1.000 €.

4 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Tecnologia attuale L’efficienza con cui il silicio assorbe l’energia solare è bassa e il silicio stesso è molto costoso. Inoltre si riesce a sfruttare soltanto una piccola parte dello spettro solare, quella i cui fotoni hanno energia superiore alla banda proibita che caratterizza il materiale. In altre parole tali dispositivi sono sensibili soltanto ad alcune delle frequenze che compongono lo spettro. Ad esempio, il silicio è in parte sensibile al blu, molto sensibile al verde e al giallo e poco al rosso, mentre è completamente insensibile all’infrarosso. In questo modo, più della metà dello spettro solare sfugge alla conversione fotovoltaica e l’energia ad esso associata viene persa.

5 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Limiti della tecnologia attuale Alle nostre latitudini la radiazione solare fa arrivare su ogni m 2 di superficie terrestre una potenza di circa 1.300 W, al netto dell'assorbimento da parte dell'atmosfera. Con le celle fotovoltaiche al silicio di oggi la potenza elettrica prodotta è di 200 W/m 2. Coprendo di celle 1 km 2 produrremmo 200 MW per 2.000 ore l'anno: cioè 400 GWh. Gli impianti termoelettrici italiani hanno una potenza di 57 GW (equivalenti a 57 grandi centrali nucleari) che funzionano in media 4.000 ore l'anno producendo 230 TWh (TeraWattora = migliaia di GigaWattora). Per sostituirli col fotovoltaico la potenza richiesta sarebbe di 115 GW e l'area occupata di 575 km 2 sarebbe poco meno del 2 per mille di quella del Paese: ingombrante, ma non impensabile. L'impresa, però, è impossibile allo stato attuale della tecnologia perché occorrerebbe un investimento di 920 G€: circa due terzi del PIL.

6 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Tendenze e prospettive Obiettivi: 1.Aumento dell’efficienza di conversione (allargamento dello spettro sensibile) 2.Aumento del rendimento (nuove metodologie di raccolta della carica prodotta) 3.Abbattimento dei costi (nuovi materiali di basso costo al posto del silicio) GenerazioneRendimentoCosto €/Watt I0,151 II0,150,50 III0,80,20

7 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Moduli Fotovoltaici Wafer Film sottili Si Crist.Si poli Si amorfo e microc. CdTe/CdS ….. Nano Inorganici /Organici Quali Moduli Fotovoltaici?

8 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Nuove tecnologie per il fotovoltaico Materiali polimerici e nanostrutture Le nanostrutture (nanotubi di carbonio o nanofibre) fanno da generatori di carica; Il polimero fa da collettore di carica.

9 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Perché le celle solari a film sottili? a.Le celle solari fatte con i monocristalli (Si, GaAs) hanno raggiunto in laboratorio efficienze vicine al limite teorico b.Moduli al Si vengono venduti a 5 €/W o più, un costo lontano dall’essere competitivo con l’energia elettrica ottenuta dai combustibili fossili c.Anche aumentando la produzione e automatizzando il processo di fabbricazione, difficilmente il costo può scendere al di sotto di 2€/W, che è ancora non competitivo d.La produzione di Si mono o policristallino non è, in questo momento, sufficiente a soddisfare la domanda

10 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Perché le celle solari a film sottili? e.Nelle celle solari a film sottili la quantità di materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella usata per i moduli cristallini ed è una parte trascurabile del costo totale f.Il processo di fabbricazione può essere completamente automatizzato e una produzione di un modulo al minuto può essere ottenuta g.Il substrato è un vetro comune a basso costo h.Un costo di produzione inferiore a 0.5$/W è stato previsto dal laboratorio nazionale per l’energia americano (NREL, K. Zweibel) per i moduli fotovoltaici a film sottili per una produzione annuale superiore a 100MW

11 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Livello di maturazione Le ricerche attuali svolte in parecchi centri di ricerca mirano alla realizzazione per via chimica (basso costo di produzione) di film sottili costituiti da plastiche flessibili (basso costo di installazione) coniugate con generatori di cariche costituiti da elementi nanostrutturati (nanotubi di carbonio o nanofibre drogate) Al momento sono disponibili prototipi di celle fotovoltaiche di III generazione. GenerazioneRendimentoCosto €/Watt I0,151 II0,150,50 III0,80,20

12 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Tempi e costi per il mercato Difficile fare una valutazione in questo settore perché questa è una di quelle tecnologie definite “Disruptive Technology”, termine coniato nel 1995 da Clayton Christensen, docente di Harvard, che indica un’innovazione che in tempi rapidi si impone e conquista un mercato esistente, o dal nulla ne fa nascere uno nuovo. L’applicazione del digitale alla musica e alle foto sono esempi del primo caso, il cellulare del secondo. L’applicazione di nanotecnologie alla progettazione e produzione di celle solari ad effetto fotovoltaico si preannuncia essere del primo tipo. In compenso il potenziale di diffusione è semplicemente INFINITO per tutte le esigenze della società attuale (produzione di energia, casa autosufficiente, auto elettrica, serre autoalimentate, etc). Comunque una ricerca mirata con un paio di persone dedicate (2 post doc) e adeguati finanziamenti (>100.000 €/anno) produrrebbe prototipi significativi in un paio di anni.

13 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Possibili obiettivi della ricerca 1.Realizzazione di celle solari con elettrolita gel parzialmente trasparente, che permettano l'uso commerciale di Dye-Sensitized Solar Cell come parti integranti di realizzazioni architettoniche. 2.Realizzazione di pannelli adesivi fotovoltaici per la copertura di superfici; 3.Realizzazione di coperture plastiche fotovoltaiche per la realizzazione di serre e ambienti autonomi energeticamente; 4.Realizzazione di vernici fotovoltaiche per la copertura di superfici mobili; 5.Produzione di pannelli fotovoltaici con tecniche ink-jet. È possibile realizzare celle fotovoltaiche riducendo sia i costi dei materiali che quelli di realizzazione ? Questo è possibile ma occorre ripensare tutto il processo, introdurre nuovi materiali e nuove tecniche di realizzazione

14 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Fantasie …. Lapalisse: se posso convertire la luce in energia, posso anche convertire l’energia in luce …..Applicazioni: 1.Illuminazione di edifici; 2.Fari e segnalatori auto adesivi; 3.Illuminazione pubblica a costo zero; 4.……… Gli stessi dispositivi fotovoltaici possono essere utilizzati per l’illuminazione: luce diffusa su ampie superfici grazie a film sottili polimerici regolabili in colore e intensità con pile autoricaricabili

15 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Evoluzione dell’illuminazione

16 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 OLED (LED Organici)

17 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Prototipi di illuminazione diffusa

18 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Il futuro prossimo venturo Large area flexibility 40cm Il nuovo schermo TV della Sony fatto con OLED

19 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Il futuro prossimo venturo Nel settembre del 2006 un gruppo di ricercatori della Cornell University ha creato un nuovo tipo di OLED flessibile che agisce come una sorta di cella fotovoltaica e che quindi genera elettricità dalla luce.Cornell University Potremo realizzare pannelli che di giorno accumulano energia e di notte la riemettono

20 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Conclusioni Siamo alla vigilia di una rivoluzione tecnologia di portata imprevedibile. La tecnologia del silicio, che ha permeato gli ultimi decenni della nostra evoluzione tecnologica, sta per essere sostituita da nuove tecnologie (carbonio, polimeri, …) che permettono l’utilizzo di materiali maneggiabili su scala nanometrica. Si parla ormai di POST SILICON TECHNOLOGY Mantenere viva l’attenzione su questi processi vuol dire essere pronti a cogliere nuove importanti occasioni di crescita e sviluppo per le imprese che puntano sulle nuove tecnologie.

21 Michelangelo Ambrosio - Fotovoltaico di terza generazione Incontro PMI - 26 febbraio 2008 Grazie per la vostra attenzione Michelangelo Ambrosio Dirigente di Ricerca INFN – Sezione di Napoli