Attuale stato dell'arte: i semiconduttori al silicio

Attualmente la quasi totalità dei moduli fotovoltaici in commercio sono costruiti partendo da semiconduttori al silicio, le applicazioni sono essenzialmente per piccole potenze e sopratutto per utenze isolate dove sarebbe oneroso collegarsi con la rete elettrica e non sussistano altre fonti primarie quali venti costanti, corsi/salti d'acqua ecc., esistono centrali solari di qualche MWp più che altro utili a testare le tecnologie maturate, i costi degli impianti attualmente funzionanti non sono competitivi con gli altri sistemi di generazione di energia elettrica.

Centrali solari fotovoltaiche

Una centrale fotovoltaica di potenza:

E' costituita da un insieme di moduli fotovoltaici

I moduli sono costituiti da un insieme di celle

Più moduli collegati insieme formano un pannello che può essere utilizzato anche per piccoli sistemi.

Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie, costituiscono una stringa.

Più stringhe, collegate generalmente in parallelo, costituiscono un campo di una centrale fotovoltaica

Informazioni sui sistemi fotovoltaici: enea.it/com/pubblicazioni/Op22.pdf

La centrale fotovoltaica di Serre, in provincia di Salerno, è stata la più grande d'Europa fino al 2002, ha una potenza di 3,3 MWp

L'attuale centrale fotovoltaica di maggior potenza è di 10 MWp ed  è installata in Germania

Classifica delle 50 centrali fotovoltaiche di maggior potenza nel mondo
www.pvresources.com


  Centrale fotovoltaica


   Centrale fotovoltaica di Serre

La cella fotovoltaica

E' il componente base dei sistemi fotovoltaici, un dispositivo costituito da una sottile fetta ( 0,3 mm ) di materiale semiconduttore (wafer), in genere silicio, opportunamente trattata.

Tale trattamento è caratterizzato da diversi processi chimici, tra i quali si hanno i cosiddetti “drogaggi”: inserendo nella struttura cristallina del silicio delle impurità, cioè atomi di boro e fosforo, si genera un campo elettrico e si rendono anche disponibili le cariche necessarie alla formazione della corrente elettrica.

Riassumendo molto l'energia si ottiene quando i fotoni della luce solare, colpendo una cella, "strappano" gli elettroni più esterni (di valenza) degli atomi di silicio, gli elettroni sono raccolti dal reticolo metallico serigrafato sulla superficie visibile della cella che "incanalano" un flusso di elettroni ottenendo una corrente continua di energia elettrica.

1

cella in silicio policristallino
Cella di silicio policristallino

Pannelli con celle in silicio monocristallino

L' efficienza di queste celle fotovoltaiche in commercio attualmente e nell'ordine del 12-20%,

Per la produzione, l'installazione e la manutenzione in 20 anni di un sistema da 1 kWp occorrono 6-9 MWh di energia.

L'energia prodotta in 20 anni da un sistema FV da 1 kWp è di 18-28 MWh, a seconda della latitudine e della buona manutenzione dell'impianto, possono durare anche più di 30 anni.

Il costo di un impianto con celle in silicio monocristallino è attualmente nell'ordine di 5000-8.000 € al kWp, il costo minore è per impianti di taglia maggiore, il costo di manutenzione è di 50 -100 € all'anno.

Il wafer di monocristallo si produce con il metodo Czochralsky , basato sulla cristallizzazione di un “seme” di materiale molto puro, che viene immerso nel silicio liquido e quindi estratto e raffreddato lentamente per ottenere un “lingotto” di monocristallo, che avrà forma cilindrica (da 13 a 30 cm di diametro e 200 cm di lunghezza). Successivamente le celle ottenute affettando questo cilindro vengono squadrate non completamente, lasciando i caratteristici angoli smussati, a volte anche a forme ottagonali, il colore è uniforme.

Con una nuova linea concettuale si procede cristallizzando direttamente su un supporto un film sottile di silicio, ottenendo così qualcosa di simile ad una cella in silicio cristallino ma con i vantaggi delle celle a film sottili, quindi minori costi e maggiori possibilità di industrializzazione della produzione
Fonte: www.csgsolar.com

Interessante articolo sulle prospettive del fotovoltaico al silicio:
www.aspoitalia.net

1


       Modulo a 9 celle


Pannelli (moduli)

Pannelli con celle in silicio multicristallino

L' efficienza di queste celle fotovoltaiche in commercio attualmente è nell'ordine del 10-15%,

Per la produzione, l'installazione e la manutenzione in 20 anni di un sistema da 1 kWp occorrono 4-7 MWh di energia.

L'energia prodotta in 20 anni con questi sistemi FV da 1 kWp è di 16-25 MWh, a seconda della latitudine e della buona manutenzione dell'impianto, possono durare anche più di 30 anni.

Il costo di un impianto con celle in silicio policristallino è attualmente di circa 4.000 -7.000 € al kWp, il costo diminuisce se l'impianto è di taglia maggiore.

Il wafer di multicristallo si origina dalla fusione e successiva ricristallizzazione del silicio di scarto dell’industria elettronica (“scraps” di silicio). Da questa fusione si ottiene un “pane” che viene tagliato verticalmente in lingotti con forma di parallelepipedo, per cui i wafer ottenuti hanno forma squadrata e le caratteristiche striature.

Attualmente più dell'80% dei sistemi fotovoltaici in commercio sono con celle in silicio poli e mono cristallo. 

1


Cella singola


Pannelli

Pannelli FV con film in silicio amorfo (a-Si)

Con l’amorfo, in realtà, non si può parlare di celle, in quanto si tratta di deposizioni di silicio (appunto allo stato amorfo) in film sottili su superfici che possono anche essere ampie, attualmente è la tecnologia che più rappresenta la soluzione "thin film" a livello commerciale, con una quota del 5% circa sul totale mercato fotovoltaico

I moduli in silicio amorfo possono avere efficienze del 4-6% quelli monogiunzione e 7-10% con le tecnologie a doppia o tripla giunzione che sfruttano una più larga banda dello spettro solare utile.

Per la produzione di un pannello da un kWp occorrono 3-5 MWh di energia.

L'energia prodotta nella vita media (20 anni) da un pannello FV da 1 kWp è 10-18 MWh secondo la tecnologia adottata.

Il costo di un impianto con celle in silicio policristallino è attualmente di circa 6-9.000 € al kWp, il costo diminuisce se l'impianto è di taglia maggiore.

Il maggiore vantaggio dei moduli in silicio amorfo è la potenziale versatilità nell' integrazione architettonica dei moduli FV, sia per quanto concerne la forma che le tonalità cromatiche, fino ad ottenere anche superfici semitrasparenti utilizzabili in facciate vetrate.

Descrizione delle caratteristiche dei moduli in silicio amorfo
www.ecorete.it 

Tegole fotovoltaiche
www.e-alternativa.it 

Moduli semitrasparenti
www.msk.ne.jp 

Moduli flessibili a-Si tripla giunzione
www.uni-solar.com

Altre società di R&S sul silicio amorfo
www.powerfilmsolar.com


 Tegola fotovoltaica 

 
      Coppo fotovoltaico

    
       Pannello in amorfo


 Modulo semitrasparente

Attualmente i sistemi fotovoltaici hanno un EROEI (Energy Return On Energy Investment) con un minimo di 3 kWh prodotti per ogni kWh speso nella realizzazione del sistema, il massimo è superiore a 10 kWh resi per kWh di "energia grigia".

Tipologia modulo Energia  spesa per 1 kW (energia grigia)

 E.R.O.E.I*

Superficie coperta da 1 kW (m2) Costo impianto per kW (Italia)
Monocristallino    6-9 MWh     3 - 5     6 - 9    5-8.000 €
Policristallino    5-7 MWh     5 - 7      8 -10    4-7.000 €
Amorfo    3-5 MWh     6 -10    12-16    4-7.000 €
*Considerando una produzione di 1.200 kWh/anno e 20 anni di vita impianto.

Studio sull'EROEI dei moduli FV www.ecn.nl


La tecnologia Laser a contatti sepolti (LGBG) per le celle fotovoltaiche al silicio

La tecnologia attualmente più usata per la realizzazione delle celle al silicio prevede che i contatti metallici vengano saldati sulla superficie della cella, comportando alcuni svantaggi fra cui una riduzione dell’area captante. La tecnologia LGBG si basa invece sulla possibilità di "nascondere" i contatti all’interno della cella. Un laser viene utilizzato per creare dei solchi sulla superficie della cella all’interno dei quali viene poi fuso il metallo a base di rame che fungerà da conduttore per l’elettricità prodotta. Questo processo, inventato da Martin Green e Stuart Wenham nel 1984, è stato poi applicato per la realizzazione di celle commerciali dal 1992. Attualmente le celle LGBG raggiungono un’efficienza del 17%, ma gli esperti prevedono di raggiungere a breve il 20%.

Fonte:
ilsolea360gradi.it/2003/settembre2003.pdf Pag.8

L'impianto fv di maggior potenza è di 10 MW, recentemente installato in Germania.

Le 50 centrali fotovoltaiche di maggior potenza nel mondo pvresources.com/en/top50pv.php