Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future
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Progetto Lauree Scientifiche Università degli Studi di Milano –Bicocca Scuola per insegnanti : ENERGIA e TECNOLOGIE DI PRODUZIONE ENERGETICA Energia solare: che cos’è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future Simona Binetti Milano-Bicocca Solar Energy Research Center (MIB-SOLAR) Università di Milano-Bicocca Milano, Italy 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Domande tipiche di un giovane “curioso”: 1. Come fa a produrre energia ? i.e Come funziona una cella fotovoltaica o solare ( i.e. perchè genera una corrente elettrica ? 2. E’ una fonte sufficiente per soddisfare i bisogni futuri della umanità? 3. Di che materiale sono fatte ? 4. Come si fa a realizzarla ? 5. Quanta energia produce ? quanti pannelli mi servono per i consumi medi ? 6. Quanti tipologie ci sono ? 7. Quanto costa ? 8. E’ vero che non inquina ? Ma io per realizzare le celle ho bisogno di energia e lo smaltimento ? 9. Come è la situazione e che prospettive ci sono ? 10. Dove sta andando la ricerca ? 11. Chi le ha inventate e scoperte ? 12. …. perchè sono blu, perchè c’è il vetro? come si legge una datasheet di un pannello ? Proviamo a dare una risposta 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
La fonte : Il sole e la sua radiazione T=5778 K Legge di Stefan-Boltzmann: E= σT4 T= 5778 K P irradiata= 6,3 107 W/m2 Pirradiata Tot=3.84 x 1026 W (raggio sole 700000 km) Sulla terra: 26 3,84 x10 = 1368W / m 2 4πR sfera con centro nel centro del sole e raggio pari 2 alla distanza terra–sole (150 milioni di km) l’energia del sole che arriva ogni secondo alle soglie dell’atmosfera terrestre che colpisce un 1m2 di superficie ortogonale ai raggi stessi Costante solare 3 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
La fonte : Il sole e la sua radiazione Effetto dell’atmosfera: Energy distribution (kW/µm2/micron) 2.5 2 6000 K black body 1.5 AM0 radiation 1 AM1.5 radiation 0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 micron AM ? 4 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
AM: Air Mass La massa d’aria che i raggi solari attraversano quando il sole é direttamente perpendicolare alla superficie terrestre viene chiamata air mass Quindi AM0 è la radiazione solare appena fuori dall’atmosfera terrestre AM 1 corrisponde alla luce perpendicolare (angolo nullo rispetto allo zenith). La radiazione standard utilizzata è l’AM 1.5 (luce solare con angolo di 48.19° rispetto allo zenith, ln 1 h l1 l2 atmosphere AM = = h cos δ earth AM0 = outside atmosphere AM1 = equator our latitude (Milan 48°46’) AM1.5 =48.19° 5 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Condizioni standard La radiazione solare standard AM 1.5, detta anche “1 sun“, corrisponde : • Densità di potenza integrata di ca. 1000 W/m2. • Flusso di fotoni : 4.31 x 1021 s^-1 m-2 • range di lunghezze d’onda: 280 a 4000 nm. • spettro solare: AM1.5 global (IEC 60904-3: 2008, ASTM G-173-03 global) • temperatura: 25°C FAQ: come si legge un datasheet di una cella 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Energia solare : Potenzialità • L’energia solare è praticamente infinita • 1, 5 bilioni di TWh/anno ovvero 10000 volte il consumo mondiale annuale (15 miliardi di kWh anno) • Sarebbe sufficiente coprire lo 0.1 % delle terre emerse con dispositivi con efficienza media del 10 % per soddisfare le richieste annuali mondiali di elettricità FAQ: E’ una fonte sufficiente per soddisfare i bisogni futuri della umanità? 7 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Solar irradiation irradiation (kWh/m2·yr) 600 1000 0.50 1400 0.36 1800 0.28 Dipende dalla latitudine e dal periodo dell’anno (condizioni climatiche) insolation map:. http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/redbook/atlas/ http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
FAQ : chi le ha “inventate” ? Un pò di storia .. Alexandre-Edmond Becquerel η=1% 10 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Avvento e sviluppo di nuovi materiali (silicio) 25 20 UNSW Efficiency, % 15 10 5 Bell laboratories,1954 η= 6% 0 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 FAQ : Come funziona una cella FV ? Le celle attualmente in commercio si basano sulla fisica e tecnologia dei semiconduttori 11 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Metalli, semiconduttori e isolanti Conduttori : Semiconduttori -la conducibilità diminuisce con la -aumenta con la temperatura temperatura. -processo di trasporto avviene tramite - vi è un solo portatore di carica due portatori di carica -aumenta con introduzione di impurezze 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Distinzione tra metalli isolanti e semiconduttori Energy gap diamante 5,3 eV isolante silicio 1,1 eV semiconduttore germanio 0,7 eV semiconduttore Concetto fondamentale gap del semiconduttore Nei metalli gli elettroni di energia prossima all’estremo superiore della porzione della banda occupata possono facilmente acquistare per effetto di un campo elettrico l’energia sufficiente per occupare gli stati vuoti vicini. Negli isolanti e- non sono in grado di muoversi 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Effetto del drogaggio Semiconduttori di tipo n Energia di legame ? Atomo idrogenoide : 2 ε m * ED = 0 n EH ε d mo m0e4 EH = − 2 2 2h ε 0 ns2 np3 ED= 30 meV n= Nd + ni m* = massa efficace Impurezze: donori 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Semiconduttori estrinseci: schema a bande Creazione di bande semipiene e quindi conduzione sia di tipo p che di tipo n 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
FAQ : Come funziona ? Giunzione p-n P N p = pp0 ≈ NA n = nn0 ≈ ND n = np0 ≈ ni2/NA p = pn0 ≈ ni2/ND CB Ec EFn EFp VB Ev P N T r a n s it io n R e g io n qψ 0 E 1 = kT ln (N V /N A ) Ec EF E 2 = kT ln (N C /N D ) Ev 16 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Funzionamento della cella: Giunzione p-n sotto illuminazione 1. Fotoni di energia > Egap generano coppia e—h 2. Il campo elettrico della giunzione separa i due portatori liberi creati 3. Si produce una corrente inversa anche in assenza di una tensione applicata FAQ : come fa a produrre corrente ? 17 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
I = I [e o eV / kT − 1] − I sc 1. Una giunzione p-n illuminata , non polarizzata e chiusa su un carico nullo , genera una corrente Isc 2 Una giunzione p-n illuminata , a circuito aperto genera una tensione detta tensione di circuito aperto Voc 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Giunzione p-n sotto illuminazione e parametri di cella ImVm FF = IscVoc P IV I V η= = = Max FF m m SC OC P P in P in in 19 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Celle solari giunzione singola: limiti di efficienza • Limite teorico di conversione 94% (Carnot) – η = 1-TD/Ts = 1− 5778 300 • Limite teorico giunzione singola 31% (gap 1.2eV) down-shifting External Quantum Efficiency 1,0 1,6 1,4 Sunlight intensity 0,8 1,2 (W/m /nm) 1,0 0,6 2 0,8 0,4 0,6 0,4 0,2 0,2 AM 1.5G c-Si solar cell 0,0 0,0 300 400 500 600 700 800 900 1000 Wavelength (nm) Fonte: 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Tecnologie FV (consolidate ed emergenti) • c-Silicon solar cells (1° generazione) : – Attualmente circa 90 % degli impianti installati è a base di silicio – Attività di ricerca ancora attiva con l’obbiettivo di aumentare il rapporto efficienza /costo • Inorganic thin-film technologies (2° generazione) • a-Si-H, µc-Si-H, nc-Si • CdTe, CIGS Cu(In,Ga)Se2 • Organic thin film technologies (3° generazione) – Dye solar cells; Organic bulk donor acceptor herojunction solar cells – Basso costo del materiale attivo e del substrato – Basse efficienza e stabilità nel tempo (l’obiettivo è 10 % per le celle ibride polimeriche e 15 % per le celle DSC (Dye solar cells) • Celle per applicazione spaziali o per concentrazione (GaAs- AlGaAs/GaAs/Ge) FAQ : di che materiale sono fatte ? S. Binetti 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Celle e moduli al silicio FAQ come si fa a realizzarle ? 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Il materiale Produzione di Si metallurgico Purificazione per distillazione Da quarzo o carbon fossile del SiHCl3 Deposizione del polisilicio Reazione del Si con HCl SiO2+ C -> SiC+ SiC+ SiO2- SiO2-> Si+ Si+ SiO+ SiO+ CO Produzione mondiale ~ 1,000,000 MT/y Silicio grado elettronico Si monocristallino Crescita del lingotto Si multicristallino 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Dal il silicio multicristallino al pannello 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Cella al silicio: il dispositivo 25 20 UNSW Efficiency, % 15 10 5 0 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 n-Contact Contact Antireflection coating ARC Surface recomb. n-Emitter pn- Si p-type quality Junction p-Base Al-BSF Rear recombination Process p-Contact Saw Damage Texture + PSG Screen- , Finger) Removal Cleaning Diffusion Removal ARC printing Firing Isolation 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare 25
Effetto dello spessore : fenomeni di interferenza da lamine sottili R Spessore ottimale dà una colorazione blu In rete : 1 solar cell multi crystlalline 2 color optionable 3 156*156mm 4 anti reflection coating 5 3.5W~3.85W,Efficiency 14.3%~15.8%. FAQ Perchè sono blu ? 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Pannelli o moduli a silicio cristallino (mc-Si o c-Si): un pò di numeri Celle a silicio monocristallino: Institute/co cell/modul area Jsc Voc FF η mpany e [cm2] [mA/ [mV] [%] [%] Suntech PLUTO: (mc-Si cm2] η= 19% substrate) Voc= 632mV Fraunhofer small cell 1.002 38.0 664 80.9 20.4± ISE 0.5 Jsc = 38.2 mA/cm2 [14] FF=78.8% Q-cells large cell 242.7 39.0 652 76.7 19.5± 0.4 [14] Q-cells 60 cell 14 9.04 38.8 75.7 17.8± module 920 A V 0.4 ] Pannelli commerciali Dimensioni : 1,65 m2 formato da 10 file di 6 celle monocristallino ciascuna Voc= 38,1 Isc= 8,59 A Impianto pari a 2,94 kWp Ogni modulo fa circa 245 Wp Borgagne (LE) FAQ: come si legge un datasheet di un pannello 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Pannelli o moduli a silicio cristallino (mc-Si o c-Si): un pò di numeri Cella singola mc-Si : forma quadrata, misura solitamente 125x125 mm e produce, con un irraggiamento di 1 sun kW/mq ad una temperatura di 25°C, una corrente compresa tr a i 3 e i 4 A e una tensione di circa 0,5 V, con una potenza corrispondente di 1,5 - 2 Wp 1m2 di celle con efficienza 12.5% produce 125 Watt in condizioni standard di illuminazione i.e. 125 Wp installati. Con questa efficienza, un 1 kWp richiede 8 m2 di celle. Eff= 16 % (mio impianto in puglia) 6.5 m2 per fare 1KWp In Puglia : 1,65 m2fanno 245 Wp: Impianto da 2,94kWp: equivale a 12 pannelli da 60 celle di monocristallino per un totale di 720 celle e una superficie di circa 19,8 m2 (ogni cella fa 4.02 Wp) 1 kWp produce circa: 1032 kWh all’anno a Milano 1229 kWh all’anno a Trapani In 3 ore mediamente un abitazione europea consuma 1,1kWh 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Fotovoltaico: quanta superficie serve ? Solare fotovoltaico: (Italia) Ipotesi:Irraggiamento totale annuo = 1400 kWh/m2 efficienza pannelli fotovoltaici=12.5% consumo annuale di energia (2004)=321 TWh=321·109 kWh In 1 m2 di pannelli si producono 0.125·1400=175 kWh (20 m2 16kWh al giorno in agosto puglia max 292 kWh all’anno) Per produrre 321 TWh servono 1.83·109 m2=1’830 km2 La superficie dell’Italia è di 301 339 km2 ⇒ occorre utilizzare il 0.6% del territorio Spazio disponibile: tetti+facciate ≈ 1000 km2 terreni incolti ≈55000 km2 ⇒ occorre utilizzare il 3.3% dei terreni incolti Consumi di una famiglia media annui: 4410kWh circa 20 m2 producono 2,9kWp cioè producono 16 KWh al giorno (consumo giornaliero 12 KWh) 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
• Il consumo medio di una famiglia italiana (media nazionale) è di 4.410 ( 3200, 2200) kWh/anno. • Questo significa che la richiesta di una famiglia media verrebbe soddisfatta utilizzando un impianto di potenza pari a circa 3,3 KWp (2, 9, 1.2) per una superficie impegnata, al massimo, di circa 21- 26 mq, che possono ridursi utilizzando moduli ad alta efficienza Costo di un impianto medio-piccolo è di circa 4000 Euro per KWp (Per un impianto da 1 MW: Costo totale dell’Impianto è di 2900 Euro /kWp) Spesa impianto “pugliese” 11200 euro 2.94 kWp A parità di consumi : 27 m2 (MI) – 20 m2 (LE) FAQ : quanti pannelli mi servono per soddisfare le mie esigenze ? E quanto mi costa ? , cioè il prezzo ? 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
FAQ : Quanto costa 1 kWh di energia fotovoltaica? Quanto costa 1 kWh di energia fotovoltaica? • costo impianto = € 6000 / kWp: equivalente a € 750/m2 con efficienza del 12.5%, ovvero 8 m2 per 1 kWp • irraggiamento annuo 1600 kWh/m2 (Sardegna) • fattore di efficienza complessiva 0.75 (BOS-Balance of System) • durata impianto 25 anni Un impianto da 1 kWp produce quindi 0.75·1600·25 kWh=30’000 kWh nel suo ciclo complessivo. Il costo di 1 kWh è: 6000 €/30’000 kWh=0.2 €/kWh N.b. il costo dell’impianto è un po’ sovrastimato. D’altra parte non stiamo tenendo conto di: manutenzione, assicurazione, cali di efficienza (costo +20% in tutto). I due effetti tendono a compensars 31 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Cost reduction for PV energy 10 Euro/Wp 1980 1990 Module cost xWp: 2000 2010 $1,59 2008 2015 $1,26 2030 $0,87 2,5 Source: NREL Usa €/Wp 2020 1 1 10 100 1.000 10.000 100.000 Cumulative production MWp FAQ : ma qual’è il costo ? Source: PSE GmbH, S. Binetti 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Durata e Garanzia : Vita media 30 anni: Azienda italiana : moduli garantiti 20 anni da difetti di fabbricazione e fino a 28 anni sul rendimento , inverter garantiti fino a 20 anni . FAQ : Quanto durano ? 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
FAQ: E quando non funzionano più cosa ne faccio ? http://www.pvcycle.org/ 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
FAQ :E’ vero che non inquina ? Ma io per realizzare le celle ho bisogno di energia? Nella sua vita (25-30 anni) il modulo fotovoltaico produrrà da 10 a 30 volte l’energia utilizzata per costruirlo Fonte: E. Alsema 21st Eur. PVSEC, 4-Copernicus Institute 9 Sept 2006, Dresden 35 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Tecnologie FV (consolidate ed emergenti) • c-Silicon solar cells (1° generazione) : – Attualmente circa 90 % degli impianti installati è a base di silicio – Attività di ricerca ancora attiva con l’obbiettivo di aumentare il rapporto efficienza /costo) • Inorganic thin-film technologies (2° generazione) • a-Si-H, µc-Si-H, nc-Si • CdTe, CIGS Cu(In,Ga)Se2 • Organic thin film technologies (3° generazione) – Dye solar cells; Organic bulk donor acceptor herojunction solar cells – Basso costo del materiale attivo e del substrato – Nasse efficienza e stabilità nel tempo (l’obiettivo è 10 % per le celle ibride polimeriche e 15 % per le celle DSC (Dye solar cells) FAQ 2 di che materiale sono fatte ? S. Binetti 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Evoluzione del record di efficienze delle celle solari a film sottili 20 CuInGaSe2 NREL NREL CdTe 16 Amorphous silicon Univ. of So. Florida NREL (stabilized) BP Solar EuroCIS Efficiency (%) Boeing Boeing ARCO Univ. of So. FL 12 Kodak Photon Energy Boeing AMETEK United Solar Monosolar Boeing Kodak 8 Matsushita Boeing ECD Univ. of Maine 4 RCA 0 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Celle solari di 2°generazione : film di silicio microcristallino (µc-Si-H) a-Si/ micro-amorfo (a-Si-H): • Tecnologia matura • Fabbriche chiavi in mano gla ss SiO 2 SnO 2 p-layer • Effetti di degrdazione alla luce i-layer a-Si:H (Staebler-Wronsky light induced degradation effect) n-layer p-layer µc-Si:H (a-Si:H or a-Si:Ge:H) • bassa efficienza (η = 8% - i-layer 101%) n-layer ZnO rear metal contact 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Celle solari a film di CIGS TCO ZnO window CdS absorber CIGS Cu (Ga,In) (Se,S)2 contact Mo substrate glass CIGS : Cu(In, Ga) Se2 • Elevata efficienza(η = 16%-20.3 %) • Bassi costi di produzione • Possibilità di depositare su substrati flessibili • Elevata stabilità (30 anni) • Tecnologia complessa non ancora ottimizzata • Tossicità di alcuni componenti (Cd) e scarsità di materiali (In) 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
film di CdTe glass TCO SnO2 window CdS CdSxTe1-x alloy layer CdTe absorber metal contact • Media efficienza (ηη = 16.5 %) • Band gap diretto of 1.5 eV • Alta velocità di deposizione (circa 10 micron / min). • Tossicità • Attualmente bassa resa di produzione • Disponibilità del materiale 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
celle organiche: celle a colorante(celle di Graetzel) DSCs world record: Ru(II) organic complex N3/N719 as sensitizer HOOC COOH N N N C S Ru N N C S N HOOC COOH Record: η=11.2% Questo principio è assolutamente analogo al I coloranti assorbono efficacemente la luce solare generando una fenomeno della fotosintesi clorofilliana: infatti in essa la clorofilla ricopre il ruolo del materiale coppia elettrone-lacuna che viene separata all’interfaccia con le attivo, il CO2 è l'accettore di elettroni, mentre nanoparticelle e quindi trasportata rispettivamente dal biossido di l'acqua è il donatore titanio e dall’elettrolita ai due elettrodi 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
• Basso costo • La commercializzazione dei primi sistemi è appena partita • Flessibilità (colori, BIPV) • Basso energy pay back (4-6 mesi) • Stabilità nel tempo • Relativa bassa efficienza 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
PV market outlook 2010: 40 GWp 50 TWh Source: Europe maintains leadership, with Germany as the World’s largest market S.21-10-2011 Binetti S.Binetti Energia Solare
Market forecasts until 2015 World market could reach 15.1 GW -20.5 GW of new installations in 2012 (5GW in Italy) PV could provide up to 12% of the EU electricity demand by 2020 S. Binetti 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Grid parity 21-10-2011 S.Binetti PV is now Energia a mature technology Solare that is rapidly approaching grid parity S. Binetti
Dove sta andando la ricerca ? • Riduzione dei costi Aumentare Ridurre il costo Aumentare il l’efficienza dei materiali volume di produzione 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Che caratteristiche deve avere il materiale ideale ? • Energy band gap tra 1.1 e 1.7 eV • Coefficiente di assorbimento della luce elevato • Efficiente conversione dell’energia solare • Alta disponibilità di materiale non tossico • Tecniche di deposizione adatte per estensione a larga scala e ad alta produttività • Basso utilizzo di materiale e di energia • Stabilità sul lungo periodo • Alta riciclabilità • Produzione a basso impatto ambientale 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Third generation solar cells based on silicon Target 0.20 $/Wp Aims : high efficiency solar cells but using abundant, non toxic material and processes for large scale production Tandem solar cells (stacks of individual cells) Si QDS Limiting efficiency: 74% (GaInP/GaAs/Ge) η = 34 % 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Novel technology • Quantum well and QD structures – III-V QD’s efficiency potential η= 63 % (integration into concentration solar cells) – Intermediate band gap solar cells – Si (Ge) -QD’s in Si Host (η= 35 %) • New material (carbon nanotube)or as component of the photoactive material or for electrode • Peripheral structures affecting the spectrum (up –down conversion – surface plasmons) Which is novel today might gradually turn into “emerging” over time ! S. Binetti 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
Riferimenti TESTI : A. Luque , S. Hegedus Handbook of Photovoltaic Science and Engineering John Wiley & Sons Inc., M.Sze Physics of Semiconductor Devices; Second Edition; John Wiley & Sons;New York; 1981 M. Green Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications (Prentice-Hall series in solid state physical electronics) P. Würfel, Physics of Solar Cells, 2nd ed. (Wiley-VCH,Weinheim, 2009) Semiconductor Materials) M. Green Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion (Springer Series in Photonics) R. Bube , Photovoltaic Materials (Series on Properties of Semiconductor Materials , Vol 1) P. Menna, F. Pauli L’energia solare “ Il Mulino editore Siti Web: http://www.nrel.gov/solar/ http://www.iea.org International Energy Agency http://www.epia.org European PV Industry Association http://www.jrc.ec.europa.eu EC, Joint Research Center http://www.solarbuzz.com Solar Energy Research & Consultancy http://www.epia.org European PV Industry Association http://www.gse.it Gestore Elettrico Nazionale http://www.enea.it ENEA www.enerpoint.it http://www.mibsolar.mater.unimib.it 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
MIB-SOLAR: Milano-Bicocca Solar Energy Research Center www.mibsolar.mater.unimib.it Contattaci: simona.binetti@unimib.it 21-10-2011 S.Binetti Energia Solare
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