Celle solari al GaAs: dallo spazio alla terra

! "
1
Pavia, 8 Aprile 2009
Sommario
• Il CESI
• Il sole e la conversione fotovoltaica
• L’epitassia
• La cella al GaAs per applicazioni spaziali
• La concentrazione fotovoltaica terrestre
2
Pavia, 8 Aprile 2009
L’IMPEGNO CESI NEL FOTOVOLTAICO
•
•
•
3
CESI è uno degli artefici a livello mondiale dello sviluppo della tecnologia
delle celle solari al GaAs sia in ambito spaziale che terrestre.
CESI è la sola Azienda italiana che possiede integralmente la tecnologia
produttiva delle celle solari al GaAs ed è una delle poche al mondo.
Per CESI il fotovoltaico a concentrazione (CPV= Concentration
PhotoVoltaics) rappresenta il naturale sbocco della tecnologia sviluppata per
lo spazio.
Pavia, 8 Aprile 2009
CESI nel fotovoltaico al GaAs: una lunga storia
•
•
•
•
•
1975 - 1985: attività preliminari sul CPV
1982 - 1990: attività di sviluppo di celle solari al GaAs/GaAs per lo
spazio
1990 - 2008: Produzione di celle solari al GaAs per il mercato spaziale
2000 - 2008: sviluppo di celle solari a Tripla giunzione
2000 - 2005: attività preliminari sul CPV ad altissima concentrazione
utilizzando le triple giunzioni (RdS)
N°
N°of
of
satellites
satellites
53*
53*
*(40
*(40ininorbit)
orbit)
4
Installed
Installed Cell
Cellsurface
surface
22
power
(kW)
(m
power (kW)
(m ))
42
155
42
155
N°
N°of
ofcells
cells
87.000*
87.000*
**(32.000
(32.000TJ)
TJ)
Pavia, 8 Aprile 2009
N°
N°of
of
countries
countries
18
18
La sorgente solare
Il sole emette energia elettromagnetica per effetto dei
processi di fusione dell’idrogeno in elio.
Massa del sole= 1.98 *1030 kg
Perdita di massa= 4.1* 109 Kg/sec
Tempo di vita = 1.53 * 1013 anni
5
Pavia, 8 Aprile 2009
La distribuzione spettrale della radiazione solare
% $
&
Regione del
visibile
% $
!
6
&
"
Pavia, 8 Aprile 2009
# #
$
Lo spettro solare
•
60
AM0
50
40
30
Power
(W /m2)
AM1.5
1.36 kW/m2
1.00 kW/m2
AM2
20
•
AM5
10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
wavelength (um)
1.4
1.6
1.8
==VVmmxxIImm//Area
AreaxxPPsole
sole
7
2
L’energia proveniente dal sole è una
quantità enorme sul globo terrestre,
MA non è sempre disponibile ed è
distribuita. Da qui, la difficoltà per
un suo impiego diffuso in campo
terrestre.
Nello spazio rappresenta l’unica
fonte disponibile per missioni di
lunga durata.
L’efficienza di una cella misurata a terra
è maggiore di quella misurata nello spazio!
Pavia, 8 Aprile 2009
Distribuzione dell’energia solare nel Nord Italia
2
kWh/m giorno
Nel calcolo dell’irraggiamento
vengono considerate tutte le
componenti della radiazione solare.
8
Pavia, 8 Aprile 2009
La conversione fotovoltaica
Quando il fotone incide
sul cristallo semiconduttore
- +
le coppie di portatori ( e , h )
vengono separate dal campo elettrico
di giunzione.
Se ai capi del dispositivo
poniamo dei contatti elettrici
possiamo raccogliere
i portatori e farli fluire
in un circuito esterno
Ioni
positivi
Ioni
negativi
L’effetto fotoelettrico consiste nell’instaurasi ai capi del dispositivo di una tensione
per effetto dell’illuminazione del materiale semiconduttore con radiazione di
lunghezza d’onda opportuna
9
Pavia, 8 Aprile 2009
La conversione fotovoltaica
Fotoni
Se si applica un carico a resistenza variabile ai capi della cella
fotovoltaica si possono determinare i parametri caratteristici del
dispositivo
0.6
griglia
e-
0.5
N
CARICO
+
CURRENT (A)
0.4
0.3
0.2
P
0.1
0
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
VOLTAGE (V)
FF
FF==Voc
VocxxIsc/
Isc/VVmmxxIImm
10
==VVm xxIIm / /PPsole xxArea
Area
m
m
sole
Pavia, 8 Aprile 2009
1.00
1.20
La conversione fotovoltaica
!
!
"
11
# "
Pavia, 8 Aprile 2009
Principali tipologie di celle solari
•
•
In qualsiasi semiconduttore è possibile attivare l’effetto fotovoltaico.
A livello commerciale la scelta è limitata a celle e pannelli realizzati
con semiconduttori ben noti.
Applicazione terrestre
Tipologia
Efficienza AM1.5
Silicio cristallino e policristallino
Pannelli piani
12-16%
Film sottile: CI(G)S, CdTe, Si
amorfo
GaAs (CPV)
Pannelli piani
8-14%
Concentratori
>35%
Tipologia
Efficienza AM0
Silicio monocristallino
Pannelli piani
14-18%
GaAs
Pannelli piani
19-28%
Applicazione spaziale
12
Pavia, 8 Aprile 2009
I vantaggi del GaAs
•
•
•
13
Il GaAs è uno dei semiconduttori che
meglio converte la radiazione dello
spettro solare in energia elettrica.
Tutta la radiazione viene assorbita in
pochi micron sotto la superficie.
Rispetto alle celle solari al Silicio quelle
al GaAs:
– sono più efficienti (28%* contro il
18%)
– resistono meglio alle radiazioni e
quindi durano di più
– degradano meno alle temperature cui
operano i pannelli solari nello spazio
(70°C).
Pavia, 8 Aprile 2009
* Celle TJ
Tipologie di celle al GaAs
•
CESI produce due tipi di celle solari al GaAs
per applicazione spaziale:
– le celle a singola giunzione
caratterizzate da efficienza del 19-20%
– le celle a tripla giunzione caratterizzate
da efficienza dal 24 al 28%
Grid
AR
N+ -GaAs
Window:
Giunzione 3
N+
-AlInP
Emitter: N+ -GaInP
Base: P -GaInP
BSF: P+ -AlInGaP
Diodo tunnel
Grid
AR
P+
-GaAs
Window: P+ -AlGaAs
Emitter: P+ -GaAs
Base: N-GaAs
Buffer: N+ -GaAs
Substrate: N -Ge
AR
Le celle al GaAs sono
ottenute depositando
i vari strati fisicamente
con tecniche di epitassia.
Nel silicio la giunzione
si ottiene per diffusione
dei droganti.
TD: N++-InGaP
Window: N+ -AlGaAs
Giunzione 2
Emitter: N+ -InGaAs
Base: P-InGaAs
Buffer: P+ -InGaAs
Diodo tunnel
TD: P++ -AlGaAs
TD: N++-GaAs
Window: N+ -AlInP
Giunzione 1
Back Contact
14
TD: P++ -AlGaAs
Emitter: N -InGaP
Substrate: P -Ge
Contact
Pavia, 8 Aprile 2009
AR
La cella a tripla giunzione
Spettro solare
_
Parte non
utilizzabile
InGaP
La connessione in serie
delle 3 giunzioni si
ottiene con diodi tunnel
I
InGaAs
Giunzione 3
Ge
Giunzione 2
Giunzione 1
15
+
Pavia, 8 Aprile 2009
Diodo tunnel:
zona di funzionamento
V
Caratteristiche
Risposta spettrale
tripla giunzione
Risposta spettrale
singola giunzione
La tensione ai capi è data dalla
somma delle 3 tensioni:
Vtot = V1 + V2 + V3
1.0
0.9
La corrente generata è quella
della giunzione che produce
meno corrente
0.8
External QE
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
GaInP
GaInP
GaAs
GaAs
Ge
Ge
0.1
Condizione importante: le correnti
delle 3 celle devono essere confrontabili
per non penalizzare l’efficienza!
Cella
Singola
Tripla
16
Tensione a
vuoto
1V
2.6 V
0.0
350
550
750
950
1150
Wavelength (nm)
Corrente di
corto circuito
32 mA/cm2
16 mA/cm2
Pavia, 8 Aprile 2009
1350
1550
1750
Selezione dei materiali
•
Per realizzare celle a tripla giunzione è essenziale
scegliere semiconduttori con caratteristiche di costante
reticolare simili a quella del substrato di Germanio
(Lattice Matched).
AlP
2.5
Bandgap [eV]
2.0
(AlGa)InP
AlAs
0.3
GaP
0.4
Ga0.51In0.49P 0.5
(AlGa)InAs
0.6
1.5
GaAs
Si
1.0
0.7
0.8
0.9 InP
0.1
0.2
0.3
GaInNAs
0.4
Ge
0.5
0.5
5.4
InAs
5.6
5.8
6.0
Lattice constant [Å]
17
Pavia, 8 Aprile 2009
Le Facilities tecnologiche del CESI:
Epitassia
•
•
La produzione di celle a singola giunzione e a tripla giunzione del CESI
si basa sulla tecnologia MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour
Deposition) ed utilizza un reattore VEECO 450 Gold.
La tecnologia di crescita epitassiale MOCVD permette, combinando
opportunamente le sorgenti gassose, di realizzare materiali
semiconduttori diversi durante il medesimo ciclo di deposizione, con
proprietà ottiche ed elettriche controllate
GaAs
AlGaAs
InP
InGaP
AlAs
AlInGaAs
AlInGaP
18
Pavia, 8 Aprile 2009
InGaAs
Le tecnologia di fabbricazione MOCVD
Esempio semplificato di deposizione del GaAs (reattore verticale)
I reagenti (metallorganici ed idruri) in fase gassosa vengono
trasportati sul substrato
I reagenti vengono lì decomposti per effetto termico e danno
luogo alla fase solida
In
(
$
Strato Confine
(Boundary Layer)
(
' (
$ $
'
CH3
H2
19
'
Riscaldamento
Pavia, 8 Aprile 2009
Out
#
Caratteristiche di un impianto di epitassia
Epitassia
=
Ordinare
sopra
•
•
•
•
•
•
20
Gas carrier: Idrogeno ad altissima purezza
Elevatissima purezza dei materiali precursori
Sicurezza!!!
Precursori ad elevata tossicità
Sistemi da Vuoto “Oil Free” dimensionati per alte portate di Idrogeno
Controllo accurato dell’introduzione e della distribuzione dei gas di
processo in camera di reazione
Controllo accurato della temperatura e della sua distribuzione sul piatto
porta substrati
Pavia, 8 Aprile 2009
Il reattore epitassiale CESI
TGA
Robot Arm
Reactor
Entry Lock
Glove Box
Reattore MOCVD Veeco 450G
Piatto porta substrati, in grado di ospitare
13 wafers di Ge da 100mm
21
Pavia, 8 Aprile 2009
MOCVD process
Raw materials
Ge wafers
Manufacturing
flow chart
MO
SD
KIP
Solar Cell process
Raw materials
BC
FC
SI
CT
TH
Chemicals
TD
22
CR
MA
AR
CS
Test
Incoming
inspection
Process
Storage
Pavia, 8 Aprile 2009
EM
KIP
PA
Inspection
Processi dopo la crescita epitassiale
• Realizzazione delle griglie
• Deposizione dei contatti metallici sul fronte e sul retro
• Taglio del wafer
• Processi chimici di pulizia ed attacco
• Deposizione del rivestimento antiriflettente
• Misura delle caratteristiche
• Prove di accettazione
23
Pavia, 8 Aprile 2009
Fabbricazione delle celle solari
Wafer epitassiale
Cella solare
n-Contacts
24
Pavia, 8 Aprile 2009
Monolithic
Diode
n-Contacts
Realizzazione delle griglie
Mascheratura metallica
Wafer epitassiale (GaAs)
Mascheratura fotolitografica
25
Pavia, 8 Aprile 2009
Mascheratura per fotolitografia
Stesura fotoresist
Fotoresist
Spinner
Cap di
GaAs
Giunzione PN
Substrato Ge
Esposizione UV
maschera
Giunzione PN
Cap di
GaAs
Substrato Ge
Sviluppo
Apertura rebbio
Fotoresist
Giunzione top
Giunzione bottom
Cap di
GaAs
Substrato Ge
26
Pavia, 8 Aprile 2009
Mask aligner
Deposizione del contatto frontale
Wafer con mascheratura
fotolitografica
•
•
•
•
•
Tecniche di deposizione:
Evaporazione termica o da cannone elettronico
(PVD)
Sputtering (non applicabile a celle solari)
galvanica (per dispositivi a basso costo)
screen printing (per dispositivi a basso costo)
Contatto
frontale
Metallo in
eccesso
Fotoresist
Giunzione PN
Substrato Ge
Lift off
rimozione meccanica o chimica della mascheratura
Griglia
Giunzione top
Giunzione bottom
8 cells per wafer
27
Substrato Ge
Pavia, 8 Aprile 2009
Deposizione del contatto sul retro
Retro del wafer epitassiale
(Ge)
•
•
•
•
•
•
•
28
Tecniche di deposizione:
Evaporazione termica o da cannone
elettronico (PVD)
Sputtering (non applicabile a celle solari)
galvanica (per dispositivi a basso costo)
screen printing (per dispositivi a basso
costo)
Lega
per ottenere una bassa resistenza elettrica di
contatto ed una buona adesione viene
effettuato un processo ad alta temperatura
Pavia, 8 Aprile 2009
Deposizione del rivestimento antiriflettente
Riflessione
50
30%
45
40
35
Cella solare
R (%)
30
No arc
25
20
5%
15
10
0
300
Cella solare
Darc
5
400
500
600
700
800
900
lunghezza d'
onda (nm)
Il rivestimento antiriflettente, oltre a diminuire la
perdita per riflessione, protegge la cella solare nel
periodo di immagazzinamento
29
Pavia, 8 Aprile 2009
Taglio del wafer
• Scribing
•
solo per celle al GaAs
• Dicing saw
•
Per tutti i tipi di celle solari
• Laser
•
per celle al silicio
8 cells per wafer
30
Pavia, 8 Aprile 2009
Misura delle celle solari
Spettro solare a diverse am
60
AM0
50
40
)
2
m
/
W
(
r
e
w
o
P
30
AM1.5
AM2
20
AM5
10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
wavelength (um)
1.4
1.6
1.8
2
Parametri elettrici tipici di una cella solare:
(AM0, 136.7 mW/cm2, 25°C, bare cells)
#
0.6
I
$
0.5
1032 mV
32 mA/cm2
915 mV
30 mA/cm2
0.83
19.5%
-2.0 mV/°C
0.017
2560mV
17.3 mA/cm2
2258mV
16.5mA/cm2
0.83
27.5%
-6mV/°C
0.017
0.4
CURRENT (A)
Open circuit voltage (Voc):
Short circuit current (Jsc):
Voltage @ Pm
Current @ Pm
Fill factor:
Efficiency:
dVpm/dT:
dImp/dT mA/cm2/°C :
0.3
P
0.2
0.1
0
0.00
0.20
0.40
0.60
VOLTAGE (V)
31
Pavia, 8 Aprile 2009
0.80
1.00
1.20
L’ambiente spaziale
•
•
•
32
Nello spazio attorno alla terra le celle solari sono sottoposte a severe
condizioni ambientali:
– Radiazioni (elettroni e protoni), tempeste solari periodiche
– Elevate escursioni termiche (-100°C, +100°C) dovute alle eclissi
– Presenza di detriti e meteoriti
Le missioni interplanetarie sono più severe: verso il Sole aumenta la
temperatura e la costante solare, verso l’esterno del sistema planetario le
temperature scendono e la radiazione solare diventa più debole.
Una cella per poter operare nello spazio deve superare numerosi e severi
test di qualifica e ambientali.
Pavia, 8 Aprile 2009
Le celle al GaAs nello spazio… Perché?
$
%
&
'
&
&
(
& *
Si 18.5%
(
)
'
*
*+
*%
GaAs 27%
&
&
&
'
((
,.
( ,- /
012 312
33
Pavia, 8 Aprile 2009
La normativa di riferimento
!
/1
(
(
4 5116
4 5117 )*
(
8
34
Pavia, 8 Aprile 2009
*(*
Celle solari CESI a tripla giunzione per lo spazio
Efficiency distribution of CESI TJs
3000
Prod 2008
Prod 2007
2500
Counts
2000
1500
Cella solare per lo spazio di area 26.5 cm2
1000
I-V curve AM0 CTJ solar cell
500
600
500
>3
0
Distribuzione di efficienza su una
popolazione di 8000 e 2000 celle TJ area
26.5 cm2, appartenenti a due generazioni
contigue
35
Current (mA)
Efficiency class
>2
9
>2
8
>2
7
0
0
>2
6.
0
>2
5.
0
>2
4.
0
>2
3.
0
>2
2.
>2
0.
>2
1.
0
0
400
Isc = 483 mA
Voc = 2.58 V
FF = 0.85
Eff. = 29.6%
300
200
area = 26.5 cm2
100
0
Pavia, 8 Aprile 2009
0
0.5
1
1.5
Voltage (V)
2
2.5
3
Le celle CESI nello spazio
Cosmo-Skymed: 3 satelliti lanci a partire da 2007 (18.000 celle TJ)
DMC Sat. lancio 2003
MITA lancio nel 2000
36
Pavia, 8 Aprile 2009
L’evoluzione dei pannelli solari per lo
spazio
•
•
•
37
L’aumento della potenza
richiesta dai satelliti moderni
richiede l’uso di celle solari più
efficienti.
Oggi circa il 70% dei satelliti
commerciali utilizza celle al
GaAs.
Questa tecnologia si è affermata
negli ultimi 10 anni pur essendo
il settore spaziale molto
conservatore! Gli USA sono
all’avanguardia nel campo.
Pavia, 8 Aprile 2009
Pannelli solari
•
•
La cella solare per essere impiegata nello spazio va protetta e montata
su un substrato (honeycomb) che costituisce il pannello solare.
Le aziende che effettuano questo processo in genere non coincidono
con i costruttori di celle.
vetrino
Integratori di celle solari per lo spazio:
Selex Galileo (I)
Astrium (D)
Spectrolab (USA)
Kvant (Ru)
SSTL (GB)
Emcore (USA)
38
cella
pannello
Pavia, 8 Aprile 2009
connettore
Il processo di integrazione dei pannelli
Saldatura o
puntatura
Celle nude
Vestizione delle celle
CiCs
Interconnettori
Vetrini
Coverglassing
Laydown dei pannelli
SCA
Pannelli
39
Saldatura o
puntatura delle stringhe
SCA
Misura SCA e
formazione
delle stringhe
Cavi e altri
componenti
Incollaggio, collegamenti
e test finali
Stesura della resina
di incollaggio
Pavia, 8 Aprile 2009
Sommario
• Il CESI
• Il sole e la conversione fotovoltaica
• L’epitassia
• La cella al GaAs per applicazioni spaziali
• La concentrazione fotovoltaica terrestre
40
Pavia, 8 Aprile 2009
Le tecnologie fotovoltaiche
#
(
*
9
: ;
41
)
(
Pavia, 8 Aprile 2009
Le tecnologie fotovoltaiche
42
Pavia, 8 Aprile 2009
•
•
•
•
Le celle a multi giunzione III-V
“Terrestri” Perché?
Sono state dimostrate efficienze sul singolo dispositivo del 41%, con possibilità di
arrivare al 50%.
Nessun’altra tecnologia offre queste potenzialità.
Già esistono linee produttive (per lo spazio) con una capacità teorica complessiva,
riferita al terrestre di circa 0.5GW/anno (@500x).
Il ricorso alla concentrazione terrestre può spingere il costo del kWh verso quello
ottenibile dalle sorgenti convenzionali.
La tecnologia dei composti III-V
è la sola che mostra una crescita
costante di prestazioni
nell’arco di 30 anni
43
Pavia, 8 Aprile 2009
Celle solari III-V nella concentrazione
solare terrestre
$
</=2
*
Nei sistemi a concentrazione si sostituisce l’area di semiconduttore con ottiche che
concentrano la radiazione solare su celle di ridotte dimensioni.
$
(
(
44
Pavia, 8 Aprile 2009
(
L’utilizzo delle celle solari basate sui composti III-V nella concentrazione
solare per applicazioni terrestri
"
#
#
%
!
$
-
$
$
#
$!!
%
%
%&
!
!
(
)
)
!
#
$
*)
"
#
!. )
)
45
'$
Pavia, 8 Aprile 2009
+,
I due diversi approcci alla concentrazione
terrestre
•
Celle solari CESI a singola e doppia giunzione
per sistemi dicroici (Angelantoni Industrie; C-Power)
Sun light
Fresnel lens
Dicroic filter
•
Cella solare InGaP
Cella solare GaAs
Celle solari a doppia e a tripla giunzione
per concentratori classici (Point Focus tipo
Sol Focus, Isofoton o Dense Array, tipo
Solar Systems Pty)
f
Cella solare InGaP/GaAs
46
Pavia, 8 Aprile 2009
CPV con specchi dicroici
Sistema a concentrazione dicroico dell’Università di Ferrara
;
(
47
Pavia, 8 Aprile 2009
L’utilizzo delle celle solari basate sui composti III-V nella
concentrazione solare per applicazioni terrestri
Si sono seguiti seguito due approcci di realizzazione
di sistemi a concentrazione
$!!
$!!
$ /
!
) $0
((%
((%
((
48
Pavia, 8 Aprile 2009
1
Problematiche relative all’utilizzo dei Dish nella
concentrazione solare
β
γ
α
γ
@
λ1 β
α
α = (β − γ)
δ = 2 (β − γ)
δ
λ2
δ=2α
>? @
6
/
*
49
*
Pavia, 8 Aprile 2009
>
Celle TJ Terrestri
•
Adattamento della struttura della cella per lo spazio alla concentrazione terrestre
attraverso un procedimento iterativo modello-crescita epi-test-modello su:
–
–
–
–
Spessore della cella top
Band gap della cella top
Diodo tunnel
Ottimizzazione della griglia di raccolta
Grid
AR
N+ -GaAs
Window:
Top cell
N+
-AlInP
Emitter: N+ -GaInP
Base: P -GaInP
BSF: P+ -AlInGaP
Top tunnel diode
TD: P++ -AlGaAs
TD: N++-InGaP
Window: N+ -AlGaAs
Middle cell
Emitter: N+ -InGaAs
Base: P-InGaAs
Buffer: P+ -InGaP
Bottom tunnel diode
TD: P++ -AlGaAs
TD: N++-GaAs
Window: N+ -AlInP
Bottom cell
Buffer: N-InGaAs
Emitter: N -InGaP
Substrate: P -Ge
Contact
50
Pavia, 8 Aprile 2009
AR
Il diodo Tunnel
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0.00
-0.20
-0.40
Current (A)
-0.60
-0.80
Poor tunnel diode
peak current
-1.00
Pm = 3.67 W
Voc = 2.90 V
Isc = 1.57 A
FF = 0.81
Eff. = 31.4%
Suns = 117
Size = 1 cm2
-1.20
-1.40
-1.60
-1.80
Voltage (V)
I diodi tunnel realizzati per la cella spaziale
Non permettono al dispositivo di lavorare alle fluenze
ottenibili con concentrazioni superiori a 100-150x
51
Pavia, 8 Aprile 2009
Il diodo tunnel è estremamente sensibile alle condizioni di
crescita epitassiale!
Mappatura della corrente di picco del diodo tunnel bottom su wafers da 100 S10
mm
S10
S10
S9
S9
S8
S8
S8
S7
S7
S7
1
2
3
4
5
6
7
S6
S5
S4
S4
S3
S3
S3
S2
S2
S2
1
2
3
x (cm)
Peak current
(A/cm2)
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11
Peak current
(A/cm2)
peak current (A/cm2)
12
Theoretical
10
experimental
5
6
7
8
S1
9 10
2
6
4
2
3000
4000
0-2
2-4
3
4
5
6
7
8
S1
9 10
x (cm)
4-6
6-8
5000
Gori et al. 23rd EPVSEC
tim e (sec)
52
1
Peak current
(A/cm2)
0-2
2-4
4-6
6-8
La corrente di picco del diodo tunnel
Degrada in funzione del tempo che
permane nel reattore alla temperatura
di crescita, principalmente per diffusione
dei droganti.
8
2000
4
x (cm)
14
0
1000
S5
S4
S1
9 10
8
S6
y (cm)
y (cm)
S5
y (cm)
S6
S9
Pavia, 8 Aprile 2009
Esempi di celle per concentrazione
Wafer da 100 mm2 prima del taglio
Alcune celle (area attiva)
• 7 mm2: applicazioni point focus
• 100 mm2: dense array o point focus
Potenza
Potenzaottenibile
ottenibiledalle
dallecelle
celleprodotte
prodottein
inun
unsingolo
singolorun
runMOCVD
MOCVD
--durata
duratadel
delciclo
ciclo2.5
2.5ore
ore
--carico:
carico:13
13wafers
wafers
2
--50
perwafer
wafer
50celle
celleda
da11cm
cm2per
--@500x
@500x
-- ==35%
35%
circa10
circa10kWp
kWpalalnetto
nettodella
dellaresa
resadi
diprocesso
processo
53
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Caratterizzazione in campo
Isc
(mA)
488
930
148
Modulo 4 celle
Modulo 10 celle
Voc
(V)
11.50
11.57
27.76
Pm
(W)
4.5
9.4
3.4
FF
0.81
0.87
0.83
20 Soli
160
Corrente (mA)
140
120
100
80
Efficienza 30%
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
Tensione (V)
54
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Eff.
(%)
27.3
29.6
30.3
Psole
(mW/cm2)
62.96
66.60
55.56
Soli
66
119
20
Caratterizzazione delle celle TJ
InGaP/InGaAs/Ge
200-1
55
Isc (A)
0.015
0.054
0.145
1.129
Voc (V)
2.292
2.471
2.636
2.837
Pm (W)
0.029
0.114
0.328
2.847
Im (A)
0.014
0.053
0.140
1.105
Vm (V)
2.029
2.164
2.337
2.577
FF
0.85
0.85
0.86
0.89
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Eff. (%)
21.23
23.36
25.12
27.96
Soli
1
4
10
75
Caratterizzazione Termica
4 celle TJ
Modulo con 4modulo
celle asolari
a tripla giunzione
12.5
∆ Voc array
∆ Voc cell
dVoc/dT (@ 1 sun)
∆ T cell
∆ time
12
Voltage [V]
11.5
11
10.5
10
9.5
Fattore di Concentrazione 75x
9
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
time [s]
56
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329
82
6.4
13
0.8
mV
mV
mV/°C
°C
sec.
Soluzioni CPV
A
;*
B
$
/12
@
!
GaAs
57
Da: ENEA
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#
Sistemi HCPV
Da:SolFocus Inc
Solfocus: sistema 1100S 25% efficienza
58
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Sistemi HCPV
Celle a multigiunzione
37% efficienza media
Efficienza a livello di
sistema: 25%
Potenza nominale
53kW
Occupazione del suolo:
2Ha per MW
Design lifetime: 40
anni!!
Da:Amonix Inc
Amonix HCPV 7700
59
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Contributi all’efficienza dei sistemi
CPV basati sulle celle III-V
60
•Efficienza delle celle solari:
•Trasmissione delle ottiche:
•Interconnessione dei moduli:
•Tracking:
•Inverters:
35-38%
80-83%
95-97%
95-98%
95-97%
•Efficienza di sistema:
24-28%
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Costi delle celle solari
•
•
Celle per lo spazio: una cella da 30 cm2 costa 250 $ (~8 $/cm2) con il
75% di utilizzo del wafer epitassiale.
Celle per sistemi in concentrazione: l’utilizzo del wafer può arrivare al
90%, la proiezione sul prezzo per grandi volumi è di 6.7 $/cm2.
Cell
Cell
manufacturing
manufacturing
27%
27%
Ge
Ge
21%
21%
Epitaxy
Epitaxy
52%
52%
61
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Volume del mercato FV Globale al 2020
Small
Annual solar radiation kWh/m2
<10kW
2500
2400
2300
2200
2100
2000
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
Projected solar cell installations by 2020
10 to 100kW
Medium
100kW to
1MW
1 to 10 MW
CPV (6GW)
PV
(170GW)
Large
10 to 100MW
>100MW
CST
(12GW)
Tracking
PV
(100GW)
Solar technology penetration based on location and market segments (source: Prometeus Inst. and Greentech Media)
62
Pavia, 8 Aprile 2009
Conclusioni
•
•
•
•
•
•
63
L’Efficienza elettrica media della produzione di celle solari CESI a tripla
giunzione per lo spazio si attesta oggi al 27.5%.
Le celle solari per lo spazio a singola giunzione hanno oggi un’efficienza
elettrica media prossima al 20%
CESI sta ottimizzando la struttura della sua cella a tripla giunzione spaziale
per l’applicazione terrestre in sistemi ad elevato rapporto di concentrazione.
La linea di produzione CESI per celle spaziali è implementabile anche per la
realizzazione di celle solari CPV.
L’attuale capacità produttiva della linea è attestata a 22.000 wafers/anno su 3
turni (al netto delle rese di processo, interruzioni per guasti, manutenzioni e
attività di ricerca e sviluppo del prodotto).
Se l’intera produzione fosse indirizzata sul CPV (celle 1x1 cm, 500x, 35%) in
termini di potenza, CESI è in grado di coprire circa 20 MWp/anno.
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Ringraziamenti
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&
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(
64
*
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