Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future

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Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future
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
Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future
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
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Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future
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
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Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future
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 ?
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Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future
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
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Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future
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

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Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future
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
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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/

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Energia solare: che cos'è, come si produce, materiali attualmente in uso e prospettive future
FAQ : chi le ha “inventate” ?
   Un pò di storia ..

      Alexandre-Edmond Becquerel

                                                    η=1%   10
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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
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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

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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

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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

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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

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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
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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

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