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Spiegazione di come produrre materialmente una cella fotovoltaica. …

Spiegazione di come produrre materialmente una cella fotovoltaica.

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  • 1. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Processi di produzione di una cella FV Progetto realizzato dalla classe V° FASE – I.T.I.S. H. HERTZ di Roma A cura dei Prof.ri Bonanni Antonio e Coletta Bruno
  • 2. Il silicio L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI
    • Come abbiamo visto in precedenza l’effetto fotovoltaico si basa sulla capacità di alcuni materiali semiconduttori di trasformare l’energia solare in energia elettrica.
    • Tra i materiali che hanno queste attitudini il silicio risulta essere il più utilizzato essendo uno degli elementi più diffuso in natura.
    • Per ottenere silicio in forma pura il silicio che si trova in natura deve essere fuso insieme a polverino di carbone.
    • Mediante questo processo è possibile ottenere silicio con un grado di purezza del 98%.
    • Le residue impurità vengono separate dal silicio attraverso un processo di distillazione per fasi successive.
    • Si distinguono diversi tipi di silicio in dipendenza del grado di purezza:
    • silicio di grado elettronico una parte di impurità per ogni 10 7 e oltre parti di Silicio
    • silicio di grado solare una parte di impurità per ogni 10 4 –10 7  parti di Silicio
    • silicio metallurgico una parte di impurità per ogni 10 4 parti di Silicio
    • Per realizzare una cella fotovoltaica, è necessario silicio di purezza inferiore al silicio di grado elettronico, per cui l'industria delle celle solari utilizza sostanzialmente lo scarto delle industrie elettroniche.
    • Il silicio tuttavia per essere opportunamente sfruttato nell’ambito dell’industria fotovoltaica deve presentare un'adeguata struttura molecolare (monocristallina, policristallina o amorfa).
    Silicio minerale cristallino
  • 3. Tipologie di celle solari Celle in silicio amorfo: gli atomi sono orientati in modo casuale come in un liquido, pur conservando le qualità dei solidi. I l termine amorfo si riferisce alla struttura non cristallina degli atomi di silicio. Il rendimento è inferiore a quello del silicio cristallino e, tipicamente, varia tra 5% e 10%. L’energia prodotta per Watt picco installato è maggiore confrontata con i moduli di silicio cristallino nel caso di zone con bassa insolazione.    Celle in silicio monocristallino: gli atomi sono orientati nello stesso verso e legati, gli uni agli altri, nello stesso modo . Son o realizzate utilizzando un unico grande monocristallo. Grazie a questo metodo di produzione si hanno celle solari a disco, ognuna fatta da un unico cristallo di silicio. Le dimensioni standard sono 10 x 10 cm. Le celle solari in silicio monocristallino tipicamente hanno un rendimento tra il 15% e il 17%. Celle in silicio policristallino/multicristallino: gli atomi sono aggregati in piccoli grani monocristallini orientati in modo casuale. S ono realizzate con molteplici cristalli di silicio. Siccome i bordi del cristallo potrebbero impedire il flusso di elettroni, le celle di silicio multicristallino sono solitamente meno efficienti rispetto a quelle di silicio monocristallino. La resa varia tipicamente tra il 12% e il 14%. La maggior parte delle celle solari di silicio policristallino è di colore blu.  L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI
  • 4. Processi di produzione delle celle L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Metodo Czochralsky per la produzione di silicio monocristallino Questo metodo consente di ottenere il silicio monocristallino a partire dal silicio policristal- lino di grado elettronico. In un crogiolo di silicio fuso viene immerso un "seme" di silicio in lenta rotazione. Il seme cristallino viene lentamente estratto e, controllando opportunamen- te la velocità di estrazione, si regola il diametro del lingotto e si concentrano le impurità nel la parte inferiore di esso. Il lingotto viene sagomato a forma cilindrica, squadrato e tagliato a fette.
  • 5. Processi di produzione delle celle L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Lingotti di silicio dopo la squadratura
  • 6. Processi di produzione delle celle L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Metodo a solidificazione controllata SD per la produzione di silicio policristallino
  • 7. Processi di produzione delle celle L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Il metodo Casting è un processo produttivo di celle fotovoltaiche, a partire dal silicio scartato dalle industrie elettroniche. Le prime fasi del processo consistono nella minuta frammentazione del materiale seguito da un operazione di decapaggio per un prima purificazioni da impurità superficiali. Il materiale viene quindi fuso e colato nelle forme (casting) in cui avviene la successiva ricristallizzazione. Le operazioni di fusione colaggio e cristallizzazione sono particolarmente critiche. Metodo Casting per la produzione di silicio policristallino Il problema che si presenta, e che è poi tipico di tutta la tecnologia di produzione dei semiconduttori, è quello della necessità di ridurre al minimo il tasso di impurezze presenti nel materiale al fine di ottenere la migliore efficienza della conversione fotovoltaica. E’ questo il motivo per cui, a tutt'oggi, i processi che consentono di arrivare a blocchi di policristallo non permettono la fusione di masse di silicio superiori a 100 kg per volta, con durata dell'operazione non inferiore a 24 h. Dopo la cristallizzazione si procede alla squadratura dei blocco cosi ottenuto per togliere le asperità meccaniche, e per eliminare le impurità che i processi precedenti hanno fatto addensare alla superficie dei materiale. Dalla massa si ottengono quindi vari lingotti, che vengono successivamente affettati per la realizzazione dei cosiddetti “wafers” o fette. L'operazione di taglio è fra quelle che provocano la maggior perdita di materiale.
  • 8. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Processi di produzione delle celle Metodo EFG (Edge-defined Film Growth) Il metodo EFG (Edge-defined Film Growth) consiste nell'ottenere un nastro di silicio monocristallino mediante un processo di trafilatura. Il nastro viene ottenuto mediante un passaggio, per effetto capillare, attraverso una fessura in cui sale il silicio liquido. Esistono alcuni problemi riguardo la purezza del cristallo dovuti al fatte che il cristallo si presenta come un ottimo solvente e pertanto raccoglie le impurità della trafila. Comunque con il processo EFG sono state ottenute celle con rendimento del 13%.
  • 9. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Processi di produzione delle celle Moduli in silicio amorfo Nel caso del silicio amorfo è improprio parlare di celle fotovoltaiche: il silicio infatti viene deposto uniformemente e in piccolissime quantità su superfici plastiche o vetrate, formando un unico film sottile o thin film dello spessore di qualche millesimo di millimetro. I pannelli in silicio amorfo hanno una colorazione omogenea, di solito nera o comunque scura, e hanno particolari doti di flessibilità e leggerezza. Lo spessore complessivo del modulo, telaio compreso, è di pochi millimetri e l'aspetto è complessivamente più accattivante rispetto ai "cugini" in silicio cristallino. Tutte queste caratteristiche fanno del silicio amorfo la tecnologia ideale per applicazioni architettoniche avanzate, in cui è fondamentale ricercare la massima resa estetica anziché puntare unicamente sulla producibilità dell'impianto. I valori di efficienza sono attualmente soltanto del 5-8% e rimangono da risolvere problemi legati all'instabilità delle prestazioni nel tempo, (calo di efficienza, circa del 20%). Il costo dei moduli in silicio amorfo, per Watt installato, è inferiore anche del 30-40% rispetto alle tecnologie in silicio cristallino.
  • 10. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Processi di produzione delle celle Moduli a film sottile I moduli a film sottile o CIS sono composti da pellicole di una lega compatta di rame, indio e diselenide. Le celle, ricoperte da un vetro trasparente temprato che garantisce maggior potenza, assicura resistenza all'impatto e protezione contro grandine, neve e ghiaccio. Offrono prestazioni eccezionali anche con poca luce e hanno una minima tolleranza alle alte temperature. La particolare disposizione delle celle lunghe e molto sottili dei moduli CIS li rende più vantaggiosi dei moduli in silicio cristallino in situazioni di ombreggiamento parziale (nuvole, fogliame, guano, ecc). Contrariamente ai moduli in silicio, i moduli CIS sono privi di saldature. La corrente viene “prelevata” attraverso 2 o 3 nastri conduttori e “convogliata” direttamente nella scatola di collegamento. Già durante il processo di fabbricazione le celle vengono collegate tra di loro in un blocco monolitico. I moduli fotovoltaici CIS di ultima generazione hanno un'efficienza che può arrivare al 12-13%, paragonabile a quella del silicio policristallino. Grazie alla particolare configurazione del materiale, la tecnologia Thin Film consente di ottenere pannelli CIS flessibili. Per quanto riguarda le prestazioni nel tempo, il decremento di produzione negli anni di un modulo CIS è analogo a quello di un modulo cristallino, e cioè dopo 20 anni produce l'80% della potenza nominale.
  • 11. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Processi di produzione delle celle Confronto fra moduli costruiti con le diverse tecnologie Qui a fianco viene riportato un esempio indicativo di confronto di dimensioni, a parità di potenza nominale, fra moduli costruiti con le diverse tecnologie in commercio. Tutti e quattro i pannelli hanno una potenza nominale di 80 watt ma, come risulta evidente, hanno dimensioni diverse uno dall’altro. Ciò dipende, come abbiamo visto, dalla differente tecnica costruttiva, che determina una diversa efficienza in termini di resa. La scelta di un modulo rispetto ad un altro viene in genere fatta in funzione delle caratteristiche del sito, dello spazio disponibile e della convenienza economica.
  • 12. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Processi di produzione delle celle Deposizione dei contatti anteriori La cella necessita di contatti metallici disposti su entrambe le superfici (anteriore e posteriore), allo scopo di “raccogliere” e rendere disponibile per il circuito elettrico la corrente elettrica che si genera in virtù dell’effetto fotovoltaico. I contatti posizionati sulla superficie esposta al sole, ovviamente, devono essere molto sottili, ossia devono occupare la minore superficie possibile. In generale, i contatti vengono posizionati sulla cella attraverso processi di stampaggio o serigrafia. Ciascun contatto ha un diametro variabile tra 0,1 mm e 0,2 mm: inoltre, due linee di contatto ( bus lines ), caratterizzate da uno spessore maggiore, vengono saldate ai contatti posteriori della cella adiacente.
  • 13. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Processi di produzione delle celle Deposizione dei contatti posteriori Deposizione reticolare Deposizione uniforme Diversamente dai contatti deposti sulla superficie anteriore, non esistono vincoli spaziali per i contatti che interessano la superficie posteriore della cella. Ad esclusione del caso in cui i moduli fotovoltaici non siano utilizzati come elementi strutturali semi-trasparenti, la disposizione dei contatti non è visibile.
  • 14. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Processi di produzione delle celle Deposizione dell’antiriflesso Realizzati i contatti metallici, il fronte della cella viene ricoperto da uno strato di materiale antiriflettante, in genere ossido di titanio (TiO2). Tale strato è necessario per ottenere che tutta la luce incidente venga raccolta dalla giunzione. Senza trattamento ARC, per perdite per riflessione possono raggiungere anche il 30% della radiazione incidente.
  • 15. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Processi di produzione delle celle Efficienza della cella La cella può utilizzare solo una parte dell’energia della radiazione solare incidente. L’energia sfruttabile dipende dalle caratteristiche del materiale di cui è costituita la cella: l’efficienza di conversione, intesa come percentuale di energia luminosa trasformata in energia elettrica disponibile per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 12% e il 17%, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 24%. L’efficienza di conversione di una cella solare è limitata da numerosi fattori, alcuni dei quali di tipo fisico, cioè dovuti al fenomeno fotoelettrico e pertanto assolutamente inevitabili, mentre altri, di tipo tecnologico, derivano dal particolare processo adottato per la fabbricazione del dispositivo fotovoltaico. Le cause di inefficienza sono essenzialmente dovute al fatto che:
    • 100% irraggiamento solare
    • 0,3% fenomeni di riflessione e
    • presenza dei contatti metallici
    • 22% fotoni troppo poco energetici
    • 32% fotoni troppo energetici
    • 8,5% fenomeni di ricombinazione
    • 20% gradiente elettrico all’interno della
    • cella
    • 0,5% perdite termiche dovute alla
    • resistenza nei contatti
    • Circa il14% energia elettrica utilizzabile
    Monocristallino 15-17% Policristallino 12-14% Amorfo 6-8%
  • 16. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Caratteristiche elettriche di una cella fotovoltaica Per conoscere la potenza di una cella FV vale la formula generale P=V*I. Nel grafico compaiono una tensione a circuito aperto Voc e una tensione Vm che è la tensione di massima potenza, così come compaiono una Isc corrente di corto circuito e una Im corrente di massima potenza. Risulta evidente che nella cella Fv la potenza P=Vm*Im
  • 17. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Caratteristiche elettriche di una cella fotovoltaica Fill Factor FF = Vmp * Imp / Voc * Isc Fill Factor o Fattore di Riempimento è definito come il rapporto percentuale tra la massima potenza disponobile, Vmp*Imp, e la parte teorica (non effettivamente disponibile) di potenza, Voc*Isc. Questo è un parametro chiave per valutare le prestazioni delle celle solari. Le celle solari in commercio hanno un fattore di riempimento del 70%.
  • 18. Test di una cella L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Il test di una cella avviene mediante una simulazione delle condizioni standard di insolazione (1000 W/m² a 25°C con spettro AM 1,5), per poterla classificare e quindi raggruppare insieme a celle aventi analoghe caratteristiche elettriche. Questo passaggio è molto importante per evitare di realizzare dei moduli con celle molto diverse tra di loro, che porterebbero ad una drastica riduzione delle prestazioni del modulo fotovoltaico. La tolleranza di fabbricazione è un dato percentuale (generalmente variabile dal ±3% al ±10%) che ogni produttore dichiara in relazione ai propri standard qualitativi di produzione. Tanto minore è la tolleranza dichiarata, tanto più stabili saranno le prestazioni elettriche del modulo, a pari condizioni di utilizzo. Clicca Test di una cella
  • 19. Collegamento in serie tra più celle FV Lo schema mostra i parametri elettrici e le curve caratteristiche di più celle collegate in serie. Si nota che la tensione totale V è la somma delle singole tensioni, mentre la corrente I rimane sostanzialmente immutata. Poiché la potenza di una cella fotovoltaica varia al variare della sua temperatura e della radiazione, per poter fare dei confronti sono state definite delle condizioni standard di funzionamento STC alle quali fa riferimento il cosiddetto watt di picco (Wp), relativo alla potenza fornita dalla cella alla temperatura di 25°C sotto una radiazione di 1.000 W/m ² . Alle STC la cella eroga una corrente compresa tra i 3 e i 4 A e una tensione di circa 0,5 V, con una potenza corrispondente di 1,5 - 2 Wp. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI
  • 20. Collegamento in parallelo fra più celle FV Lo schema mostra i parametri elettrici e le curve caratteristiche di più celle collegate in parallelo alle condizioni standard di funzionamento STC e il variare della curva corrente – tensione I-V. Si nota che mentre la tensione totale V rimane costante, la corrente totale I è la somma delle correnti delle singole celle. L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI