la fisica del processo fotovoltaico

Glossario
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•
•
Ampere (A) : Unità di misura della corrente elettrica.
Amperora (Ah) : quantità di energia elettrica equivalente all’energia
corrispondente al flusso di una corrente di 1A per 1h.
Energia : In generale, si misura in J (Joule); quella elettrica si misura in
Wh (Wattora) ed equivale all’energia resa disponibile da un dispositivo
che eroga un Watt di potenza per un’ora:
–
–
–
•
•
•
•
Film sottile : E’ il prodotto della tecnologia che sfrutta la deposizione di
un sottilissimo strato di materiali semiconduttori per la realizzazione della
cella fotovoltaica.
Grid : Rete elettrica di distribuzione.
Irraggiamento (Kw/m2) : Radiazione solare istantanea (quindi una
potenza) incidente sull’unità di superficie.
L’irraggiamento rilevabile all’Equatore, a mezzogiorno e in condizioni
atmosferiche ottimali, è pari a circa 1000 W/m2.
Potenza (W) : E’ l’energia prodotta nell’unità di tempo (W = J/s).
Dal punto di vista elettrico, il W è la potenza sviluppata in un circuito da
una corrente di 1A che attraversa una differenza di potenziale di 1V, ossia
W = I x V = corrente x tensione;
–
–
–
–
•
•
1 Wh = 3.600 J
1 cal = 4,186 J
1 Wh = 860 cal
Chilowatt (KW) = 103W
Megawatt (MW) = 106W
Gigawatt (GW) = 109W
Terawatt (TW) = 1012W
Potenza di picco (Wp) : E’ la potenza massima prodotta da un
dispositivo fotovoltaico in condizioni standard di funzionamento
(irraggiamento 1000W/m2 e temperatura 25°C).
Potere calorifico (KJ/Kg) : Energia che un combustibile libera durante il
processo di combustione.
Segue……..
1
segue
“Glossario”
Si parla di “potere calorifico superiore” (p.c.s.) se si considera tutta
l’energia prodotta dal combustibile, di “potere calorifico inferiore” (p.c.i.)
se, invece, si prescinde dall’energia totale prodotta dal combustibile ed
impiegata per l’evaporazione dell’acqua presente nel combustibile.
–
–
–
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Carbone = 31.395 KJ/Kg (p.c.i.)
Olio
= 41.023 KJ/Kg (p.c.i.)
Metano = 34.325 KJ/Kg (p.c.i.)
Radiazione solare (kWh/m2) : Energia elettromagnetica che viene emessa
dal sole in seguito ai processi di fusione nucleare che in esso avvengono.
Retrofit : installazione su costruzioni già esistenti – si intende ormai
comunemente la pratica secondo la quale i lavori di riqualificazione delle
strutture architettoniche deteriorate o degradate sono abbinati
all’installazione di pannelli F.V. che vengono integrati nell’involucro
dell’edificio stesso;
Silicio : Materiale semiconduttore usato per costruire celle fotovoltaiche
Silicio amorfo : Tipo di silicio per celle fotovoltaiche che non ha struttura
cristallina
Silicio cristallino : tipo di silicio a struttura cristallina.
Silicio monocristallino : silicio costituito da un singolo cristallo.
Silicio policristallino : Silicio costituito da più cristalli.
Sistema fotovoltaico connesso in rete (grid-connected) : Sistema
collegato alla rete di distribuzione dell’energia elettrica.
Sistema fotovoltaico isolato (stand-alone) : Sistema non collegato alla rete
di distribuzione dell’energia elettrica.
Tensione (V): differenza di potenziale elettrico tra due corpi o tra due punti
di un conduttore o di un circuito.
Tonnellata equivalente di petrolio (Tep) : Unità di misura dell’energia
adottata per misurare grandi quantità di questa. Equivale all’energia
sviluppata dalla combustione di una tonnellata di petrolio.
Wafer : fetta di silicio di spessore variabile da 250-350 µm ottenuta dal
taglio dei lingotti di silicio prodotti con la fusione del silicio di scarto
dell’industria elettronica. Dopo diversi trattamenti il wafer diventa cella
fotovoltaica.
Wattora (Wh) : Unità di misura di energia : equivale ad un Watt per un
ora.
2
Cenni introduttivi
Dipendenza energetica
•
•
La dipendenza energetica dall’estero dell’Europa si
aggira al 50%, che lieviterà fino al 70% nei prossimi 20
anni
L’Italia acquista oggi 81,2% dell’energia che consuma.
energia acquistata dall'estero
5,2%
6,4% energia
carbone elettr.
47,4%
petrolio
22,2%
gas naturale
petrolio
•
gas naturale
carbone
energia elettrica
Nel 2000, la bolletta energetica italiana è stata pari a
53.000 miliardi/anno, quasi doppia rispetto ai 28.000
miliardi del 1999 (aumento del 92% per il petrolio e 77%
per il gas naturale)
3
Cenni introduttivi
“Energia dal sole”
informazioni di carattere generale
•
L’EFFETTO FOTOVOLTAICO ERA NOTO AI FISICI DALLA
FINE DEL 19° SECOLO
•
LA PRIMA CELLA AL SILICIO CON RENDIMENTO DEL 6%
FU REALIZZATA NEGLI USA NEL 1954
1.353 W/m2
1.000 W/m2
•
LA RADIAZIONE SOLARE ARRIVA ALLA FASCIA ESTERNA
DELL’ATMOSFERA CON UN VALORE DI ENERGIA, PER
UNITA’ DI SUPERFICIE E DI TEMPO PARI A 1.353 W/m2
(costante solare)
•
AL LIVELLO DEL SUOLO, CAUSA FENOMENI DI
ASSORBIMENTO
E
DIFFUSIONE
DA
PARTE
DELL’ATMOSFERA, IL VALORE DI ENERGIA ARRIVA A 1.000
W/m2 (con giornata serena e sole a mezzogiorno)
4
5
Cenni introduttivi
“informazioni di
carattere generale”
Segue
•
LA POSIZIONE OTTIMALE DELLA SUPERFICIE
CAPTANTE LA RADIAZIONE SI HA CON ANGOLO DI
INCLINAZIONE RISPETTO AL PIANO ORIZZONTALE
PARI ALLA LATITUDINE DEL SITO E ORIENTAMENTO A
SUD
•
L’ORIENTAMENTO A SUD DA’ IL MASSIMO DI ORE DI
ESPOSIZIONE AL SOLE
GIUGNO
DICEMBRE
•
L’INCLINAZIONE PARI ALLA LATITUDINE RENDE
MINIME DURANTE L’ANNO LE VARIAZIONI DI
ENERGIA
SOLARE
CAPTATA
DOVUTE
ALL’OSCILAZIONE DI ±23.5° DELLA DIREZIONE DEI
RAGGI SOLARI RISPETTO ALLA PERPENDICOLARE
ALLA SUPERFICIE DI RACCOLTA
6
“informazioni di
carattere generale”
Cenni introduttivi
Segue
•
L’ENERGIA RACCOLTA DIPENDE DA 2 FATTORI:
Ø
Ø
L’INSOLAZIONE
L’IRRAGGIAMENTO
1.
L’INSOLAZIONE E’ L’ENERGIA MEDIA GIORNALIERA
CHE COLPISCE UNA SUPERFICIE PIANA ORIZZONTALE
MISURATA IN kWh al m2 e al giorno (kWh/m2*g)
2.
L’IRRAGGIAMENTO E’ LA POTENZA ISTANTANEA CHE
COLPISCE LA STESSA SUPERFICIE MISURATA IN kW/m2
•
PER L’ITALIA SI HANNO REGIMI MEDIO-ALTI CON FORTE
VARIABILITA’
TRA
REGIONI
CONTINENTALI
E
MERIDIONALI. SU BASE ANNUA, L’INSOLAZIONE
MEDIA GIORNALIERA (SU UNA SUPERFICIE CON
INCLINAZIONE PARI ALLA LATITUDINE) E’ LA
SEGUENTE:
Ø
Ø
Ø
3,6 kWh/m2*g IN PIANURA PADANA
4,7 kWh/m2*g AL CENTRO SUD
5,4 kWh/m2*g IN SICILIA
Curve ISO-RADIATIVE
7
Cenni introduttivi
“informazioni di
carattere generale”
Segue
•
A TITOLO DI ESEMPIO, L’ENERGIA SOLARE
RACCOLTA
A
TERRA
IN
UN
ANNO
(IRRAGGIAMENTO ANNUO) ALLA LATITUDINE
DELL’ITALIA MERIDIONALE E’ DI CIRCA:
Ø 1.600 kWh/ m2 su un piano orizzontale
Ø 1.800 kWh/m2 su un piano inclinato di 30°
Ø 1.200 kWh/m2 su un piano verticale
•
ASSUNTO CAUTELATIVAMENTE IL COEFFICIENTE
COMPLESSIVO DI CONVERSIONE DEL SISTEMA
FOTOVOLTAICO PARI AL 10%, NE DERIVA UNA
CAPACITA’ PRODUTTIVA DI ENERGIA ELETTRICA DI:
Ø 160 kWh/m2/anno su un piano orizzontale
Ø 180 kWh/m2/anno su un piano inclinato di 30°
Ø 120 kWh/m2/anno su un piano verticale
8
Aspetti Tecnologici
–La fisica del processo – A
–aspetto fisico del processo fotovoltaico - B
–Il processo produttivo
9
Aspetti Tecnologici
la fisica del processo fotovoltaico - A
•
Per capire come funziona il processo di conversione della
radiazione solare in una corrente di elettroni è necessario fare
riferimento ad alcune nozioni di fisica moderna riguardo alla natura
della radiazione elettromagnetica e alla struttura dell'atomo.
La conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica,
realizzata con la cella fotovoltaica, utilizza il fenomeno fisico
dell'interazione della radiazione luminosa con gli elettroni di valenza
nei materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico.
L'effetto fotovoltaico è tra i fenomeni che fanno pensare ad una
natura corpuscolare della luce; infatti, è stato scoperto che è proprio
una particella associata alle onde elettromagnetiche, denominata
fotone, a fornire l'energia necessaria ad attivare il processo
fotovoltaico.
Qualunque sia il materiale impiegato, il meccanismo con cui la cella
trasforma la luce solare in energia elettrica è essenzialmente lo
stesso.
•
Consideriamo per semplicità il caso di una convenzionale cella
fotovoltaica
di
silicio
cristallino.
L'atomo di silicio possiede 14 elettroni, quattro dei quali sono
elettroni di valenza, che quindi possono partecipare alle interazioni
con altri atomi, sia di silicio sia di altri elementi. In un cristallo di
silicio puro ogni atomo è legato in modo covalente ad altri quattro
atomi: quindi due atomi affiancati di un cristallo di silicio puro hanno
in comune una coppia di elettroni, uno dei quali appartenente
all'atomo considerato e l'altro appartenente all'atomo vicino.
10
Aspetti Tecnologici
la fisica del processo fotovoltaico - A
•
Esiste quindi un forte legame elettrostatico fra un elettrone e i due
atomi che esso contribuisce a tenere uniti. Questo legame
elettrostatico può essere spezzato con una quantità di energia che
permetta ad un elettrone di passare ad un livello energetico
superiore, cioè dalla banda di valenza alla banda di conduzione,
superando la banda proibita: se l'energia fornita è sufficiente - per
l'atomo di silicio 1.08 eV (eV significa elettronvolt, 1 eV = 1.602 *
10-19 J), un valore intermedio tra quello dei conduttori e quello degli
isolanti - l'elettrone viene portato ad un livello energetico superiore
(banda di conduzione), dove è libero di spostarsi, contribuendo così
al flusso di elettricità. Quando passa alla banda di conduzione,
l'elettrone si lascia dietro una buca, cioè una lacuna dove manca
un elettrone. Un elettrone vicino può andare facilmente a riempire la
lacuna,
scambiandosi
così
di
posto
con
essa.
Quando un flusso luminoso investe il reticolo cristallino del silicio, si
ha la liberazione di un certo numero di elettroni al quale corrisponde
un egual numero di lacune. Nel processo di ricombinazione ogni
elettrone che capita in prossimità di una lacuna la può occupare,
restituendo una parte dell'energia cinetica che possedeva sotto
forma di calore.
11
Aspetti Tecnologici
la fisica del processo fotovoltaico - A
•
Per sfruttare l’elettricità è necessario creare un moto coerente di
elettroni (e di lacune), ovvero una corrente, mediante un campo
elettrico interno alla cella. Il campo si realizza con particolari
trattamenti fisici e chimici, creando un eccesso di atomi caricati
positivamente in una parte del semiconduttore ed un eccesso di
atomi caricati negativamente nell’altro.
•
In pratica è necessario introdurre nel silicio una piccola quantità di
atomi appartenenti al terzo o al quinto gruppo del sistema periodico
degli elementi, in modo da ottenere due strutture differenti, una con
un numero di elettroni insufficiente, l'altra con un numero di elettroni
eccessivo. Questo trattamento viene detto drogaggio e la quantità
delle impurità introdotte è dell'ordine di una parte per milione.
Generalmente si utilizzano il boro (terzo gruppo) ed il fosforo (quinto
gruppo) per ottenere rispettivamente una struttura di tipo p (con un
eccesso di lacune) ed una di tipo n (con un eccesso di elettroni).
12
Aspetti Tecnologici
la fisica del processo fotovoltaico - A
•
Nello strato drogato con fosforo, che ha cinque elettroni esterni o di
valenza contro i quattro del silicio, è presente una carica negativa
debolmente legata, composta da un elettrone per ogni atomo di
fosforo. Analogamente, nello strato drogato con boro, che ha tre
elettroni esterni, si determina una carica positiva in eccesso,
composta dalle lacune presenti negli atomi di boro quando si legano
al silicio.
•
Il primo strato, a carica negativa, si indica con n, l'altro, a carica
positiva, con p, la zona di separazione è detta giunzione p-n.
In entrambi i casi il materiale risulta elettricamente neutro; tuttavia,
ponendo a contatto i due tipi di strutture, tra i due strati si attiva un
flusso elettronico dalla zona n alla zona p che, raggiunto il punto di
equilibrio elettrostatico, determina un eccesso di carica positiva
nella zona n, dovuto agli atomi di fosforo con un elettrone in meno, e
un eccesso di carica negativa nella zona p, dovuto agli elettroni
migrati dalla zona n. In altri termini gli elettroni presenti nel silicio
tipo n diffondono per un breve tratto nel silicio tipo p: il silicio tipo n
si carica positivamente, quello di tipo p si carica negativamente e si
crea inoltre una regione intermedia detta zona di svuotamento o di
carica spaziale. Il risultato è un campo elettrico interno al dispositivo
dell’ampiezza di pochi micrometri.
13
Aspetti Tecnologici
la fisica del processo fotovoltaico - A
•
Illuminando la giunzione p-n dalla parte del silicio tipo n, si generano
delle coppie elettrone-lacuna in entrambe le zone n e p. Il campo
elettrico separa gli elettroni in eccesso generati dall’assorbimento
della luce dalle rispettive lacune, spingendoli in direzioni opposte (gli
elettroni verso la zona n e le lacune verso la zona p). Una volta
attraversato il campo, gli elettroni liberi non tornano più indietro,
perché il campo, agendo come un diodo, impedisce loro di invertire
la marcia. (Un diodo è un dispositivo in cui il passaggio di corrente è
ostacolato in una direzione e facilitato in quella opposta). Quindi, se
si connette la giunzione p-n con un conduttore, nel circuito esterno
si otterrà un flusso di elettroni che parte dallo strato n, a potenziale
maggiore, verso lo strato p, a potenziale minore. Fino a quando la
cella resta esposta alla luce, l'elettricità fluisce con regolarità sotto
forma di corrente continua. E' importante che lo spessore dello
strato n sia tale da garantire il massimo assorbimento di fotoni
incidenti in vicinanza della giunzione. Per il silicio questo spessore
deve essere di 0,5 mm, mentre lo spessore totale della cella non
deve superare i 250 mm.
•
In sintesi la conversione da luce a energia elettrica effettuata dalla
cella fotovoltaica avviene essenzialmente perché questi portatori di
carica liberi (elettroni e lacune), generati dalla luce, sono spinti in
direzioni opposte dal campo elettrico interno creato attraverso la
giunzione di due semiconduttori drogati in modo diverso. Una volta
attraversato il campo, le cariche non tornano più indietro, perché il
campo impedisce loro di invertire la marcia. 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.
14
Aspetti Tecnologici
la fisica del processo fotovoltaico - A
•
Di tutta l'energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione
luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica
disponibile ai suoi morsetti. L'efficienza di conversione per celle
commerciali al silicio è in genere compresa tra il 13 % e il 17%,
mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del
32,5%.
15
Aspetti Tecnologici
la fisica del processo fotovoltaico - A
•
I motivi di tale bassa efficienza sono molteplici e possono essere
raggruppati in quattro categorie:
–
riflessione: non tutti i fotoni che incidono sulla cella penetrano
al suo interno, dato che in parte vengono riflessi dalla superficie
della cella e in parte incidono sulla griglia metallica dei contatti;
–
fotoni troppo o poco energetici: per rompere il legame tra
elettrone e nucleo è necessaria una certa energia, e non tutti i
fotoni incidenti possiedono energia sufficiente. D'altra parte
alcuni fotoni troppo energetici generano coppie elettronelacuna, dissipando in calore l'energia eccedente quella
necessaria a staccare l'elettrone dal nucleo.
–
ricombinazione: non tutte le coppie elettrone-lacuna generate
vengono raccolte dal campo elettrico di giunzione e inviate al
carico esterno, dato che nel percorso dal punto di generazione
verso la giunzione possono incontrare cariche di segno
opposto e quindi ricombinarsi;
–
resistenze parassite: le cariche generate e raccolte nella zona
di svuotamento devono essere inviate all'esterno. L'operazione
di raccolta viene effettuata dai contatti metallici, posti sul fronte
e sul retro della cella. Anche se durante la fabbricazione viene
effettuato un processo di lega tra silicio e alluminio dei contatti,
resta una certa resistenza all'interfaccia, che provoca una
dissipazione che riduce la potenza trasferita al carico. Nel caso
di celle al silicio policristallino, l'efficienza è ulteriormente
diminuita a causa della resistenza che gli elettroni incontrano ai
confini tra un grano e l'altro e, ancor più nel caso di celle al
silicio amorfo, per la resistenza dovuta all'orientamento casuale
dei singoli atomi.
16
Aspetti Tecnologici
aspetto fisico del processo
fotovoltaico - B
1.
NON TUTTI I FOTONI DI CUI E’ COMPOSTA LA LUCE SOLARE
SONO EQUIVALENTI
2.
QUELLI CHE NON POSSIEDONO UN CERTO VALORE MINIMO
PASSANO ATTRAVERSO TUTTO LO SPESSORE DELLA CELLA
SENZA INNESCARE IL PROCESSO DI CONVERSIONE
3.
STRUTTURA DELL’ATOMO DI SILICIO (14 elettroni)
•
4.
4 Elettroni disponibili nell’orbita periferica (valenza =4)
CIO’ CHE MANCA PER GENERARE UNA CORRENTE ELETTRICA
E’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE, CHE SI OTTIENE
INTRODUCENDO
NELLA
CELLA
DELLE
IMPURITA’
(DROGAGGIO) CHE MODIFICANO LE PROPRIETA’ ELETTRICHE
DEL SEMICONDUTTORE
•
5.
La valenza elettronica viene modificata
QUANDO UN FOTONE DOTATO DI SUFFICIENTE ENERGIA
VIENE ASSORBITO NELLA CELLA, NEL SEMICONDUTTORE CHE
LA COSTITUISCE
SI FORMA UNA COPPIA DI CARICHE
ELETTRICHE:
Ø
Ø
UN ELETTRONE
UNA LACUNA
(DI SEGNO NEGATIVO “ – ”)
(DI SEGNO NEGATIVO “ + ”)
17
Aspetti Tecnologici
Segue
“aspetto fisico del processo
fotovoltaico - B”
6.
A QUESTO PUNTO LE DUE CARICHE ELETTRICHE SONO
DISPONIBILI PER LA CONDUZIONE DI ELETTRICITA’:
7.
LE SUPERFICIE DEI DUE STRATI p E n DI SILICIO
DROGATI, UNO CON ATOMI DI BORO E L’ALTRO CON
FOSFORO, NELLA SEZIONE DI CONTATTO PROVOCANO UN
FORTE CAMPO ELETTRICO
•
LE CARICHE ELETTRICHE “ + ” E “ – ” GENERATE DAL
BOMBARDAMENTO DEI FOTONI, NELLE VICINANZE DELLA
GIUNZIONE VENGONO SEPARATE DAL CAMPO ELETTRICO
DANDO LUOGO ALLA CIRCOLAZIONE DI CORRENTE
ELETTRICA QUANDO IL DISPOSITIVO E’ CONNESSO AD
UN CARICO
•
LA CORRENTE ELETTRICA E’ TANTO MAGGIORE QUANTO
MAGGIORE E’ LA QUANTITA’ DI LUCE INCIDENTE
18
Aspetti Tecnologici
Segue
•
“aspetto fisico del processo
fotovoltaico - B”
L’EFFICIENZA DI CONVERSIONE DELLE CELLE
COSITUITE DA UN SOTTILE Wafer, DI SPESSORE (0,250,35) mm, VARIA DA:
Ø 15-17% IN CASO DI SILICIO MONOCRISTALLINO
Ø 12-14% IN CASO DI SILICIO POLICRISTALLINO
•
A PROPOSITO DI RENDIMENTO, SI RAMMENTA CHE
LA CONVERSIONE TERMICA TRAMITE IDROCARBURI
RAGGIUNGE IL 50% E CHE IL MOTORE A
COMBUSTIONE ARRIVA AL 27%
19
Aspetti Tecnologici
Segue
•
“aspetto fisico del processo
fotovoltaico - B”
LA CELLA HA IN GENERE UNA SUPERFICIE DI 100 cm2 E IN
CONDIZIONI DI SOLEGGIAMENTO TIPICO PER L’ITALIA DI
1KW/m2 ALLA TEMPERATURA DI 25°C PRODUCE:
–
–
–
0,5V
3A
1,5W ( POTENZA DI PICCO Wp)
•
ATTUALMENTE LA PRODUZIONE
DELLE CELLE SI BASA
SULL’UTILIZZO DEGLI
SCARTI DELL’INDUSTRIA
ELETTRONICA
•
RECENTEMENTE E’ STATA
APRONTATA LA TECNOLOGIA
DEL FILM SOTTILE COSTITUITA
DA SEMICONDUTTORI
DEPOSITATI SU VETRO O
SUPPORTO METALLICO
•
IN PRATICA, SI USA SILICIO AMORFO CON TRIPLA
GIUNZIONE
(Triple
junction)
ED
ALCUNI
SEMICONDUTTORI
COMPOSTI
POLICRISTALLINI
(SELINIURO DI INDIO E RAME CuInSe2 - TELLURIURO DI
CADMIO CdTe) CON EFFICIENZA DI CONVERSIONE
INFERIORE RISPETTO AL MONO E POLICRISTALLINO, MA
CON ASPETTI APPLICATIVI PIU’ PRATICI
20
Aspetti Tecnologici
Moduli, pannelli e stringhe
•
LE CELLE DI PER SE FRAGILI E NON ELETTRICAMENTE
ISOLATE, VENGONO ASSEMBLATE PER COSTITUIRE
UN
MODULO
FOTOVOLTAICO
ROBUSTO
E
MANEGGIEVOLE, DESTINATO A DURARE ALCUNI
DECENNI ALLE CONDIZIONI PIU’ SFAVOREVOLI
•
LA SUPERFICIE DEL MODULO TRADIZIONALE SI
AGGIRA ATTORNO AI 0,5m2 OTTENUTA DA n°36 CELLE
COLLEGATE IN SERIE A FORMARE POTENZE DI PICCO
DI 50-70W CON TENSIONI DI LAVORO DI 17V
PERMETTENDO
L’ACCOPPIAMENTO
AGLI
ACCUMULATORI IN USO
21
Aspetti Tecnologici
Processo di produzione
1
LINGOTTO DI SILICIO:
si parte con il taglio dei “wafer”
dai lingotti con processi di
trasformazione complessi di tipo
chimico, termico e fisico;
2
LA PULIZIA:
Ø
Ø
STRUTTURA CRISTALLINA
DEL SILICIO
- il primo processo è la pulizia del wafer appena tagliato;
- lo scopo è quello di eliminare le irregolarità microscopiche per
ottenere i migliori risultati nel 2° processo (della diffusione del
fosforo).
Mediante abrasione: tecnica molto comune
Asportazione chimica: ad alta temperatura (a base di
idrossido di sodio o potassio) – migliori risultati e maggior
sicurezza.
PIRAMIDI SULLA SUPERFICIE
PULITURA A BASE ACIDA
Come risultato si ottiene una condizione ottica particolare
sulla superficie costituita da una serie di piccole piramidi (di
base 3-15 µm) che conferiscono una notevole capacità di
assorbimento dei raggi luminosi.
22
Aspetti Tecnologici
Segue
Processo di produzione
3
LA DIFFUSIONE:
A - (metodo classico):
- Avviene in forni speciali
a T=870°C per 15-20 min;
- Lo scopo è di diffondere
(a T alte) gli atomi di fosforo
(drogaggio “n”) in uno strato
DROGAGGIO IN FORNO
dello spessore di 0,5 µm sulla
superficie del wafer di silicio che viene prodotto già drogato “p” con
atomi di boro.
- Si ottiene la giunzione “p-n”, fondamentale per il funzionamento
della cella F.V.
4
LA GIUNZIONE PP-N:
- Parte del processo avviene contemporaneamente alla fase di fusione;
- si deve evitare che la parte posteriore delle celle sia “contaminata” da
drogaggio di fosforo, accoppiando le celle prima dell’introduzione in
forno;
B - (metodo innovativo):
- L’acceleratore ionico, usato da tempo per produrre microprocessori;
- proietta ioni sulla superficie di silicio del wafer;
- la penetrazione dipende dalla velocità con cui si proiettano gli ioni;
- è costoso, ma preciso;
- valido per la produzione di celle ad alta efficienza.
C - (metodo “gettering
”):
“gettering”):
- si deposita uno strato di alluminio sulla superficie posteriore a T =
800°C;
- l’alluminio possiede caratteristiche droganti di tipo “p”
23
Aspetti Tecnologici
Segue
5
Processo di produzione
IL PLASMAPLASMA- ETCHING:
- processo di “purificazione” per evitare ogni contatto elettrico fra
i due strati “p-n” della cella;
- Si impilano le celle una sull’altra, lasciando a vista solo i bordi
laterali;
- vengono inserite in una macchina
a radio frequenza che elimina uno
strato di 0,5 µm di superficie di
silicio.
CONTATTI SUPERIORI
6
LA METALLIZZAZIONE:
STRATO - n
- processo per posare i contatti che
hanno il compito di convogliare
l’energia elettrica generata dalla
CONTATTI POSTERIORI
BASE - p
STRUTTURA CELLA
cella verso l’esterno;
- consiste nella deposizione di “fili” metallici sulle due superfici
della cella (in forno a T = 700°C);
- si usa una lega di alluminio-argento con piccola presenza di vetro per
garantire l’adesione alla superficie della cella;
(ALTERNATIVA):
- creazione di contatti metallici mediante incisione con laser che scava
solchi in cui viene colata una lega di rame, argento e nickel.
24
Aspetti Tecnologici
Segue
•
Processo di produzione
LO STRATO ANTIRIFLESSO:
- è l’ultimo processo: deposizione di
strato antiriflesso, duro, trasparente
e facilmente applicabile sulla
superficie;
- il silicio è molto riflettente
(35% della luce viene riflessa);
Sistema APCVD
- dopo la deposizione di 0,1 µm di strato (in genere, composti organici
all’ossido di titanio – TiO2), il potere riflettente del silicio può diminuire
del 9%;
- si possono depositare più strati antiriflesso (con materiali diversi) per
eliminare quasi completamente il potere riflettente della cella, ma con costi
elevati (es: celle per uso spaziale).
- Sistema APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition):
si basa su evaporazione a pressione
atmosferica;
- nelle tecniche più recenti di reazione (della
superficie del silicio) si usa l’azoto che
crea uno strato di diossido di
silicio (o nitruro di silicio – Si3N4);
Funzionamento APCVD
25
Aspetti Tecnologici
Tecnologia “tripla giunzione”
•
caratteristiche:
- ogni cella è composta da 3 differenti
giunzioni sovrapposte una all’altra;
- la parte inferiore della cella assorbe
la luce rossa dello spettro, lo strato
intermedio la luce verde/gialla,
mentre la parte superficiale assorbe
la luce azzurra;
Sezione cella
- questa divisione aumenta l’efficienza di conversione soprattutto a bassi
livelli d’irradiazione;
- Sono prodotte mediante deposizione in un processo continuo nel vuoto,
totalmente automatizzato, in cui sottili strati di SILICIO vengono
depositati su un nastro d’acciaio;
- Spessore totale < 1 µm
(rispetto ai 350 µm delle celle cristalline);
- Unica cella, flessibile di peso contenuto;
- Il tempo di ammortizzamento dei costi
(a detta dei produttori) si attesta su fattori
da 2 a 4 volte inferiori alle celle di
silicio cristallino;
- Non sono incapsulate in rigidi pannelli
di vetro, ma in un polimero stabilizzato
e resistente alle intemperie;
- Vita media di circa 30 anni.
Copertura solare
26
Aspetti Tecnologici
Tecnologia “film sottile”
•
Il silicio amorfo è stato il primo e l’unico “film” antagonista del
“cristallino” fino agli anni ’90.
•
La materia attiva può essere
ottenuta in forma di gas con il
vantaggio di poter essere depositata
in strati di pochi micron, su grande
varietà di superfici;
Modulo in amorfo flessibile
•
Difficoltà nell’ottenere prestazioni elevate a causa della struttura
molecolare non definita come il “cristallino”;
•
Aspetto estetico attraente: (superficie uniforme nera con sfumature
rossastre), con possibilità di realizzare moduli flessibili idonei a
sostituire alcuni elementi edilizi (tegole, lamiere grecate, tamponamenti
di facciate);
•
Gli scopi delle attività di ricerca in molti laboratori del mondo dei nuovi
film sottili (CIS, CIGS, CdTe, GaAs, ecc) sono:
–
–
–
•
Riduzione del costo del materiale di partenza;
Riduzione del costo di fabbricazione;
Miglioramento dell’efficienza di conversione.
Test mirati ad evidenziare la pericolosità potenziale del prodotto CdTe
(Telloruro di Cadmio) hanno evidenziato, in casi di incendi, che il vetro e
il substrato si fondono prima della decomposizione del CdTe riducendo al
minimo i rischi di rilascio nell’atmosfera.
27
Cenni introduttivi
Tecnologia “film sottile”
IL FUTURO
IL FOTOVOLTAICO DI 3a GENERAZIONE A CONFRONTO:
abbandonando il silicio (che ha un limite fisico intrinseco
del 27% di rendimento), dovrebbe portare i rendimenti
oltre il 50%.
•
diselenuro di rame e indio (CIS):
– È un plasma, quindi facile da depositare durante la
lavorazione;
– Alternativa valida al silicio, sempre più difficile da reperire;
– Problema del rendimento che non supera per ora l’11%.
•
Diselenuro di gallio, rame e indio (CIGS):
– E’ un derivato che consente di aumentare l’efficienza
elettrica di conversione;
– Basso degrado di potenza;
•
Arseniuro di gallio (GaAs):
– E’ Sperimentato con successo durante le missioni spaziali;
– Rendimenti eccellenti pari a 36%;
– Costi proibitivi, oltre 10 volte i costi tradizionali dei
pannelli.
•
Telloruro di Cadmio (CdTe):
– Semiconduttore - a 4 strati e 3 giunzioni;
– Rendimenti > 15%;
28
Cenni introduttivi
Tecnologia “notizie”
•
“CELLE IBRIDE” (H-Silicio)
–
–
–
–
–
–
•
Sono celle molto innovative;
Il substrato di silicio viene ricoperto da un film di silicio amorfo;
Il vantaggio consiste nel poter utilizzare la linea di produzione con
tecnologia già “rodata” delle celle cristalline;
La minor temperatura usata per la deposizione dell’amorfo, riduce le
possibili crepe per dilatazioni anormale nel wafer cristallino,
diminuendo gli scarti di produzione;
Efficienza pari a circa 20%;
Minor decadimento delle prestazioni elettriche all’aumentare
della temperatura.
“CELLE A DOPPIA FACCIA”
(HIT- Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)
–
–
–
–
–
–
–
Raggiungono efficienza di conversione di 17,3%;
Costituite da uno strato di silicio amorfo collocato su un substrato di
silicio monocristallino ad alto rendimento;
Hanno struttura simmetrica per cui possono generare corrente da
entrambi i lati;
Spessore complessivo inferiore ai 200 µm;
Possono essere prodotte a T=200°C, permettendo notevole
risparmio energetico;
Efficienza elevata anche a T alte, aumentando l’efficienza
complessiva dell’impianto;
Interessante l’applicazione architettonica su facciate non rivolte
perfettamente verso sud;
29
Segue “L’economia
del
Applicazioni
fotovoltaico”
•
CONFRONTO TRA BILANCIO ECONOMICO E BILANCIO
VERDE
Bilancio economico
Bilancio verde
NON CONSIDERA I
COSTI AMBIENTALI
CONSIDERA I COSTI
AMBIENTALI
CONSIDERA PERIODI
BREVE
CONSIDERA PERIODI
LUNGHI
RITIENE COSTANTE LA
QUANTITA’ DI RISORSE
NATURALI
TIENE CONTO DEL
CONSUMO DELLE
RISORSE NATURALI
NON TIENE CONTO DEI
DANNI PRODOTTI
ALL’AMBIENTE
TIENE CONTO DEI
DANNI PRODOTTI
ALL’AMBIENTE
UNITA’ DI MISURA:
MONETA
UNITA’ DI MISURA:
TEP : Tonnellata
Equivalente di Petrolio
NON SI CHIUDE
SI CHIUDE
•
GLI OBIETTIVI DEI DUE BILANCI SONO GLI STESSI:
OSSIA VERIFICARE SE LA RICCHEZZA PRODOTTA DA
UNA CERTA INIZIATIVA IN UN CERTO PERIODO E’
MAGGIORE O MINORE DI QUELLA CONSUMATA
•
I DUE BILANCI IN GENERE TENDONO A COINCIDERE
CON L’AUMENTARE DEL TEMPO CONSIDERATO, SE
SI TIENE CONTO DI TUTTI I COSTI NON ULTIMI QUELLI
INDIRETTI PRODOTTI ALLA SOCIETA’ ED
ALL’AMBIENTE
30
Applicazioni
L’analisi dei costi
•
1.
Una valutazione del costo complessivo dell’energia si
ottiene da un’analisi di almeno 3 elementi:
Costi economici: sono i costi di installazione e sono a sua
volta divisi in:
•
Costi fissi: di investimento per acquistare gli impianti e
le apparecchiature.
•
Costi variabili: costo del combustibile, di esercizio e
manutenzione.
2.
Costi esterni: dovuti all’utilizzazione energetica che non
sono caricati sul produttore, ma che ricadono sulla
collettività.
•
Danni ambientali: (es: radiazioni rilasciate da incidente
di impianto nucleare o danni causati da cambiamenti
climatici imputati all’accumulo di gas serra)
3.
Costi economici di domani: per valutare le potenzialità
future, è utile analizzare la possibile riduzione dei costi delle
tecnologie che utilizzano fonti rinnovabili.
31
Applicazioni
Segue L’analisi
1.
dei costi
Costi economici:
A parità di potenza considerata, i costi fissi per gli impianti che
sfruttano energia rinnovabile sono più elevati di impianti
“tradizionali”.
Tale aspetto è tuttavia bilanciato dai bassi costi variabili:
basso costo di esercizio e manutenzione;
Costo del combustibile generalmente nullo.
Calcolo del costo dell’energia elettrica:
CkWh= costi totali annuali/elettricità prodotta annualmente=
CkWh = (CE&M/H)+(Cc/H)+(Cp*A/H)
Dove:
-
CkWh = costo dell’elettricità prodotta dall’impianto (€/kWh);
CE&M = spese annuali di Esercizio e Manutenzione (euro);
Cc= spese annuali Combustibile (euro);
Cp= costo d’investimento per acquisto dell’impianto (euro);
H = elettricità prodotta annualmente (kWh);
A = coeff. di Ammortamento = r / [ 1-(1+r)-n ];
r = tasso di interesse;
n = n° anni di investimento.
32
Applicazioni
Segue
L’analisi dei costi
Il calcolo del costo di produzione formulato nella pagina precedente
è utilizzata ampliamente in sede internazionale e fornisce il cosidetto
“costo medio attualizzato”.
ESEMPI:
- Centrale Fotovoltaica di SERRE dell’Enel – 1994 (Salerno):
Impianto attualmente più grande del mondo nella sua tipologia con
resa annuale di circa 1.200 kWh/kWp e costo dell’elettricità
prodotta pari a 39 centesimi di €/kWh.
Impianto ipotetico da 200 MW :
(studio commissionato dalla Banca Mondiale):
3000€/kWp
5000€/kWp
7000€/kWp
COSTO DELL'ENERGIA
PRODOTTA DAL SOLE
Centrale di
SERRE
Costo
(centesimi €/kWh)
50
40
Impianto
da 200 MW
30
20
10
0
1000
1500
2000
2500
Resa annuale (kWh/kWp)
33
Esempi di Applicazioni
34
Applicazioni
applicazioni
AUTOGRILL – autostrada A1 – Area Somalia nord
Pannello informativo
Tecnologia
“tripla giunzione”
35
Applicazioni
applicazioni
Officina F.lli Largaiolli – Monclassico, Val di Sole (TN) – 20KWh
Doppio contatore
36
Applicazioni
applicazioni
Confronto produzione-consumo energia elettrica
Dati rilevati dall’officina F.lli Largaiolli
Monclassico - Val di Sole (TN)
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
gen00
feb- mar- apr- mag- giu00
00
00
00
00
lug00
Produzione KWh
ago00
set- ott-00 nov00
00
dic00
gen01
feb01
mar- apr01
01
Consumo KWh
Dati relativi al 2000 (14/08 – 31/12)
Dati relativi al 2001 (01/01 – 20/04)
KWh Prodotti
KWh consumati
Rapporto produz./consumo
Media produz./giorno
Media consumo/giorno
KWh Prodotti
KWh consumati
Rapporto produz./consumo
Media produz./giorno
Media consumo/giorno
: 4.935
: 26.074
: 18,9 %
: 35,5 KWh
: 71,4 KWh
: 5.330
: 9.100
: 58.6 %
: 48,7 KWh
: 83,2 KWh
37
applicazioni
Applicazioni
Ristorante “da Pino” – S. Michele (TN) – 20KWh
38
Applicazioni
applicazioni
Radio “Venere” – Tassullo (TN) – 4,5KWh
39
Applicazioni
applicazioni
Privati – Tassullo (TN) – 2,25KWh
40
Applicazioni
applicazioni
Centro scolastico
Brunico in Alto Adige (BZ)
Integrazione energia solare termica + fotovoltaico
41
Applicazioni
applicazioni
Delphos – Prov. Di Foggia – 600KWh
Carrisaplanes – California (U.S.A.)
42
ENEL – Serre – 3.300KWh
Applicazioni
applicazioni
Pensiline parcheggio – Casaccia – 100KWh
Rifugio alpino
43
Applicazioni
applicazioni
Rifugio Bocchette – Belluno – 1,2KWh
Sistema collegato alla rete – Garda – 3,2KWh
Sistema collegato alla rete – Palmanova – 3,2KWh
44
Applicazioni
SISTEMI INTEGRATI
IL FOTOVOLTAICO COME ELEMENTO DI VALORIZZAZIONE
DEGLI EDIFICI E DELL’ARREDO URBANO
45
Applicazioni
applicazioni
Sistemi integrati
46
Applicazioni
applicazioni
Kobern Gondorf – Germania
47
Sistema integrato – 35 kWp
applicazioni
Politecnico – Milano – 11,25kWp
altro esempio
48
applicazioni
Area urbana di Friburgo con
impianti principali - Germania
Solarhaus
Birra Ganter – 70 kW
Sede della Solar Fabrik
Haliotrop – Arch. Rolf Disch
Fraunhofer Institut
particolare
49
applicazioni
Pannelli tegola
Corridoio solare con
funzione “privacy”
Villaggio Matsudo, integrazione urbanistica – Giappone
50
applicazioni
Illuminazione esterna
Tettuccio FV – abbassa la T° interna
fino a di 25°C a vettura ferma
Battello per gite
sui Navigli di Milano
51
Applicazioni
applicazioni
Shuttle
“Mars Pathfinder” in ricognizione su Marte
52
Prossimi appuntamenti
53
bibliografia e link utili
•
•
•
•
Energia dal sole
ISES- Leonardo Editori
Energia elettrica dal sole
ISES ITALIA - ENEA
Energia termica dal sole
ISES ITALIA
ECODECO
Quaderni di ecologia applicata
Gazzette ufficiali
Rivista specialistica “FV” Fotovoltaici
Il giornale dell’ingegnere
•
•
•
•
www.isesitalia.it (sede italiana “International Solar Energy Society”);
www.miniambiente.it (Ministero dell’Ambiente);
www.iea.org (International Energy Agency);
www.fotovoltaici.com;
•
•
•
FINE
CONNETTITI COL SOLE
54