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1 FONTI FONTI RINNOVABILI RINNOVABILI ENERGIA SOLARE TERMICA ENERGIA SOLARE TERMICA ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA ENERGIA GEOTERMICA ENERGIA GEOTERMICA ENERGIA EOLICA ENERGIA EOLICA Reggio Emilia, 26/01/2008 Reggio Emilia, 26/01/2008

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FONTIFONTIRINNOVABILIRINNOVABILI

ENERGIA SOLARE TERMICAENERGIA SOLARE TERMICA

ENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICAENERGIA SOLARE FOTOVOLTAICA

ENERGIA GEOTERMICAENERGIA GEOTERMICA

ENERGIA EOLICAENERGIA EOLICA

Reggio Emilia, 26/01/2008Reggio Emilia, 26/01/2008

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IMPIANTI SOLARI FOTOVOLTAICIIMPIANTI SOLARI FOTOVOLTAICI

TECNOLOGIA ED APPLICAZIONITECNOLOGIA ED APPLICAZIONI

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Tecnologia fotovoltaica -Tecnologia fotovoltaica -sostenibilitàsostenibilità

• Energia grigiaEnergia grigiaE’ la quantità di energia necessaria al ciclo completo E’ la quantità di energia necessaria al ciclo completo di fabbricazione di un modulo (estrazione materie di fabbricazione di un modulo (estrazione materie prime, trasporto, lavorazione).prime, trasporto, lavorazione).

• Tempo di recupero energeticoTempo di recupero energeticoE’ il tempo necessario al modulo per produrre una E’ il tempo necessario al modulo per produrre una quantità di energia uguale alla propria energia quantità di energia uguale alla propria energia grigia. grigia.

• Fattore di rimborso energeticoFattore di rimborso energeticoE’ il rapporto tra la durata di vita di un modulo e il E’ il rapporto tra la durata di vita di un modulo e il suo tempo di recupero energetico (oppure tra suo tempo di recupero energetico (oppure tra EEtottot ed ed EEgrigiagrigia).).

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Tecnologia fotovoltaica - Tecnologia fotovoltaica - sostenibilitàsostenibilità

Nella sua vita, un modulo fotovoltaico Nella sua vita, un modulo fotovoltaico produce da produce da 44 aa 1010 voltevolte più energia più energia di quella che è stata necessaria per di quella che è stata necessaria per fabbricarlo.fabbricarlo.

•Solo i sistemi energetici che Solo i sistemi energetici che utilizzano le fonti rinnovabili hanno utilizzano le fonti rinnovabili hanno un fattore di rimborso energetico un fattore di rimborso energetico superiore a 1.superiore a 1.

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Materiali semiconduttoriMateriali semiconduttori• I semiconduttori sono materiali le cui I semiconduttori sono materiali le cui

proprietà elettriche si trovano a metà strada proprietà elettriche si trovano a metà strada tra quelle dei materiali conduttori e quelle tra quelle dei materiali conduttori e quelle degli isolanti. degli isolanti.

• Le particolari proprietà dei semiconduttori Le particolari proprietà dei semiconduttori sono dovute alla loro struttura cristallina; sono dovute alla loro struttura cristallina;

• A differenza dei metalli, I semiconduttori A differenza dei metalli, I semiconduttori hanno portatori di carica sia negativa hanno portatori di carica sia negativa (elettroni) sia positiva (lacune), la cui densità (elettroni) sia positiva (lacune), la cui densità può essere controllata introducendo altri può essere controllata introducendo altri elementi (drogaggio) nella fase di crescita del elementi (drogaggio) nella fase di crescita del cristallo.cristallo.

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Materiali semiconduttori (1)Materiali semiconduttori (1)

• Il silicio puro ha quattro elettroni nel guscio Il silicio puro ha quattro elettroni nel guscio esterno e cristallizza in forma romboidale: esterno e cristallizza in forma romboidale: ogni atomo giace al centro di un tetraedro ogni atomo giace al centro di un tetraedro regolare con quattro atomi adiacenti negli regolare con quattro atomi adiacenti negli spigoli uniti da un legame covalente. spigoli uniti da un legame covalente.

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Materiali semiconduttori (2)Materiali semiconduttori (2)• Nel silicio puro tutti gli Nel silicio puro tutti gli

elettroni sono elettroni sono interessati da legami interessati da legami ed il materiale si ed il materiale si dovrebbe comportare dovrebbe comportare come un isolante, in come un isolante, in realtà è sufficiente una realtà è sufficiente una piccola quantità di piccola quantità di energia per rompere un energia per rompere un legame e rendere libero legame e rendere libero un elettroneun elettrone. .

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Materiali semiconduttori (3)Materiali semiconduttori (3)• Per creare una differenza di potenziale Per creare una differenza di potenziale

necessaria alla produzione di energia necessaria alla produzione di energia elettrica è necessario raccogliere e elettrica è necessario raccogliere e separare le cariche di segno opposto; ciò è separare le cariche di segno opposto; ciò è possibile introducendo nel materiale possibile introducendo nel materiale semiconduttore delle impurità, dette semiconduttore delle impurità, dette “droganti”, in grado di modificare le “droganti”, in grado di modificare le proprietà elettriche del materiale. proprietà elettriche del materiale.

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Materiali semiconduttori (4)Materiali semiconduttori (4)

• Le impurità pentavalenti producono Le impurità pentavalenti producono un aumento di elettroni di un aumento di elettroni di conduzione ed il silicio così drogato conduzione ed il silicio così drogato è detto di tipo è detto di tipo nn..

• Se si introducono nel cristallo delle sostanze Se si introducono nel cristallo delle sostanze pentavalenti (pentavalenti (fosforo, antimonio o arsenicofosforo, antimonio o arsenico), gli atomi ), gli atomi delle impurità andranno a sostituire un uguale delle impurità andranno a sostituire un uguale numero di atomi del semiconduttore nel reticolo numero di atomi del semiconduttore nel reticolo cristallino; quattro dei cinque elettroni di valenza cristallino; quattro dei cinque elettroni di valenza occupano legami covalenti con gli elettroni di quattro occupano legami covalenti con gli elettroni di quattro atomi tetravalenti adiacenti, il quinto elettrone che atomi tetravalenti adiacenti, il quinto elettrone che non partecipa a nessun legame covalente, a causa non partecipa a nessun legame covalente, a causa della sua bassa energia di legame a temperature della sua bassa energia di legame a temperature ordinarie è libero di muoversi all’interno del cristallo ordinarie è libero di muoversi all’interno del cristallo accrescendone così la conducibilità. accrescendone così la conducibilità.

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Materiali semiconduttori (5)Materiali semiconduttori (5)

• L’introduzione di sostanze trivalenti L’introduzione di sostanze trivalenti ((indio, boro o gallioindio, boro o gallio) porta ad un ) porta ad un aumento della densità di lacune ed il aumento della densità di lacune ed il silicio così drogato è detto di tipo silicio così drogato è detto di tipo pp. .

• In cristallo di tipo In cristallo di tipo nn i portatori di i portatori di maggioranza sono gli elettroni e i maggioranza sono gli elettroni e i portatori di minoranza sono e portatori di minoranza sono e lacune, viceversa in un cristallo di lacune, viceversa in un cristallo di tipo tipo pp..

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Giunzione p-nGiunzione p-n• Due strati sottili di silicio p e silicio n vengono Due strati sottili di silicio p e silicio n vengono

messi a contatto in quella che è comunemente messi a contatto in quella che è comunemente chiamata chiamata giunzione p-ngiunzione p-n nella zona di contatto nella zona di contatto fra il silicio di tipo fra il silicio di tipo pp e quello di tipo e quello di tipo nn si crea una si crea una differenza di potenziale, detta differenza di potenziale, detta zona di carica zona di carica spazialespaziale, in cui ioni accettatori e donatori sono , in cui ioni accettatori e donatori sono neutralizzati dalle rispettive lacune ed elettronineutralizzati dalle rispettive lacune ed elettroni

tipo p

lacuna

tipo n

ioneaccettatore

ionedonatore

elettronezona di carica

spaziale

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Effetto fotovoltaicoEffetto fotovoltaico• La cella è una sottile fetta di materiale La cella è una sottile fetta di materiale

semiconduttore in grado di trasformare la semiconduttore in grado di trasformare la radiazione solare incidente in energia radiazione solare incidente in energia elettrica tramite l’effetto fotovoltaico.elettrica tramite l’effetto fotovoltaico.

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Effetto fotovoltaico (1)Effetto fotovoltaico (1)

• La trasformazione fotovoltaica La trasformazione fotovoltaica è possibile allorquando un è possibile allorquando un fotone incidente possiede fotone incidente possiede sufficiente energia per sufficiente energia per eccitare un elettrone dalla sua eccitare un elettrone dalla sua banda di valenza a quella di banda di valenza a quella di conduzione e creare quindi conduzione e creare quindi una coppia di cariche una coppia di cariche elettriche di segno opposto elettriche di segno opposto

(elettrone-lacuna).(elettrone-lacuna).

E

+

Banda di conduzione

Banda di valenza

+ + + +

-- - - -

EgLivello di Fermi

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Effetto fotovoltaico (2)Effetto fotovoltaico (2)Energia associata ad un fotoneEnergia associata ad un fotone

cc velocità della luce nel vuoto [m/s]velocità della luce nel vuoto [m/s]

lunghezza d’onda [m]lunghezza d’onda [m]

frequenza [1/s]frequenza [1/s]

hh costante di Planck (6.6262costante di Planck (6.6262·10·10-34 -34 Js)Js)

hc

hE

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Effetto fotovoltaico (3)Effetto fotovoltaico (3)• L’energia necessaria ad eccitare un elettrone, L’energia necessaria ad eccitare un elettrone,

alla temperatura ambiente, dipende dalla alla temperatura ambiente, dipende dalla struttura del materiale semiconduttore .struttura del materiale semiconduttore .

• Solo i fotoni con lunghezza d’ondaSolo i fotoni con lunghezza d’onda

sono in grado di creare coppie elettrone-sono in grado di creare coppie elettrone-lacuna lacuna – Silicio (Si) Silicio (Si) EEgg = 1.1 eV = 1.1 eV– Arseniuro di Gallio (GaAs) Arseniuro di Gallio (GaAs) EEgg = 1.4 eV = 1.4 eV

gE

ch

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Effetto fotovoltaico (4)Effetto fotovoltaico (4)Spettro utile della radiazione solare (ASTM G173-03)

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000

Lunghezza d'onda [nm]

Irra

gg

iam

en

to s

pett

rale

[W

m-2 n

m -1

]

Spettro utileSpettro non utilizzato

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Effetto fotovoltaico (5)Effetto fotovoltaico (5)

• La lacuna di una coppia lacuna-elettrone La lacuna di una coppia lacuna-elettrone fotogenerata sul lato fotogenerata sul lato pp rimane sul lato rimane sul lato pp a causa a causa della repulsione del campo elettrico, mentre della repulsione del campo elettrico, mentre l’elettrone corrispondente è spinto verso il lato l’elettrone corrispondente è spinto verso il lato nn della giunzione. della giunzione.

• Una situazione speculare accade per una coppia Una situazione speculare accade per una coppia lacuna-elettrone fotogenerata sul lato lacuna-elettrone fotogenerata sul lato nn. .

• Le coppie di cariche elettrone-lacuna generate dal Le coppie di cariche elettrone-lacuna generate dal bombardamento di fotoni vengono quindi separate bombardamento di fotoni vengono quindi separate dal campo elettrico in prossimità della giunzione e dal campo elettrico in prossimità della giunzione e danno luogo ad una corrente quando il dispositivo danno luogo ad una corrente quando il dispositivo viene collegato ad un carico.viene collegato ad un carico.

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La cella fotovoltaicaLa cella fotovoltaica

xj

Lp

Lp

xm

=0.5 0.7 0.9 1.0 1.1

n

p

• La cella fotovoltaica non è altro che una La cella fotovoltaica non è altro che una giunzione giunzione pp--nn realizzata su una grande realizzata su una grande superficie.superficie.

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Le dimensioni vanno da 1 cm a circa 10 cm

Produce una potenza tra 1 e 2 W

Non adeguata per la gran parte delle applicazioni

La cella fotovoltaicaLa cella fotovoltaica

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2020

Caratteristica I-V della cellaCaratteristica I-V della cella

phI dI

shR

sR+

-

V

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• In una cella ideale non sono presenti perdite In una cella ideale non sono presenti perdite resistive collegate al processo fotovoltaico; al resistive collegate al processo fotovoltaico; al contrario in una cella reale sono presenti: contrario in una cella reale sono presenti:

– Resistenza di serie (Resistenza di serie (RRss), causata dal contatto ), causata dal contatto tra semiconduttore e metallotra semiconduttore e metallo

– Resistenza di shunt (Resistenza di shunt (RRshsh), dovuta alla resistenza ), dovuta alla resistenza di Ohm nel semiconduttore; la resistenza di di Ohm nel semiconduttore; la resistenza di shunt è dovuta alla presenza di correnti di shunt è dovuta alla presenza di correnti di dispersione presso il bordo della celladispersione presso il bordo della cella. .

Caratteristica I-V della cella Caratteristica I-V della cella (1)(1)

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Caratteristica I-V della cella Caratteristica I-V della cella (2)(2)• Se la resistenza del carico è nulla la corrente è pari Se la resistenza del carico è nulla la corrente è pari

a a IIscsc (corrente di corto circuito) (corrente di corto circuito)• In assenza di corrente ai due poli terminali della In assenza di corrente ai due poli terminali della

cella si ha una tensione pari a cella si ha una tensione pari a VVococ (tensione a (tensione a circuito aperto).circuito aperto).

• La potenza La potenza PP generata dalla cella, pari al prodotto generata dalla cella, pari al prodotto I·VI·V, raggiunge un massimo , raggiunge un massimo PPMPPMPP in corrispondenza in corrispondenza del ginocchio della curva; tale punto viene indicato del ginocchio della curva; tale punto viene indicato con con MPPMPP ( (Maximum Power PointMaximum Power Point) ed è caratterizzato ) ed è caratterizzato da un valore di corrente (da un valore di corrente (IIMPPMPP) e di tensione () e di tensione (VVMPPMPP).).

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Caratteristica I-V della cella Caratteristica I-V della cella (3)(3)• L’equazione caratteristica della cella può L’equazione caratteristica della cella può

essere derivata dalle leggi di Kirchhoffessere derivata dalle leggi di Kirchhoff

0 exp 1s sph d ph

sh

V I R V I RI I I I I q

nkT R

30 exp g

o

q EI C T

nkT

dove dove II00 è la è la corrente inversa di saturazionecorrente inversa di saturazione data da:data da:

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IIphph Corrente fotogenerata (A)Corrente fotogenerata (A)II00 Corrente inversa di saturazione (A)Corrente inversa di saturazione (A)kk Costante di Boltzmann (1.38·10Costante di Boltzmann (1.38·10-23-23 J/K) J/K)qq Carica dell’elettrone (1.69·10Carica dell’elettrone (1.69·10-19-19 C) C)nn fattore di idealità (1÷2 in funzione fattore di idealità (1÷2 in funzione

del del tipo di cella solare)tipo di cella solare)RRss Resistenza interna di serie (W)Resistenza interna di serie (W)RRshsh Resistenza di shunt (W)Resistenza di shunt (W)TT Temperatura assoluta (K)Temperatura assoluta (K)CC00 Coefficiente di temperatura della Coefficiente di temperatura della

corrente di saturazionecorrente di saturazioneEEgg Energy gap (eV)Energy gap (eV)II Corrente di output (A)Corrente di output (A)VV Tensione di output (V)Tensione di output (V)

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• La resistenza corrispondente al La resistenza corrispondente al punto di massima potenza è detta punto di massima potenza è detta Resistenza caratteristicaResistenza caratteristica ( (RRcc))

• Il rapporto tra la potenza Il rapporto tra la potenza massima generata e il prodotto di massima generata e il prodotto di corrente di corto circuito e corrente di corto circuito e tensione a circuito aperto è detto tensione a circuito aperto è detto Fattore diFattore di riempimento riempimento o o Fill Fill FactorFactor ( (FFFF))

Caratteristica I-V della cella Caratteristica I-V della cella (4)(4)

MPPc

MPP

VR

I

MPP

sc oc

PFF

I V

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• L’efficienza L’efficienza della cella è definita come il della cella è definita come il rapporto tra la potenza massima generata e la rapporto tra la potenza massima generata e la potenza incidente della radiazione solare (potenza incidente della radiazione solare (PPlightlight):):

Efficienza della cellaEfficienza della cella

MPP MPP MPP sc oc

light light light

P I V FF I V

P P P

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Efficienza della cella (1)Efficienza della cella (1)

Energia solareEnergia solare

Energia elettricaEnergia elettrica

2020÷÷5%5%

Calore 80Calore 80÷9÷94%4%

Cella fotovoltaicaCella fotovoltaica

Energia riflessa 0Energia riflessa 0÷÷1%1%

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Efficienza della cella (2)Efficienza della cella (2)

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Efficienza della cella (3)Efficienza della cella (3)

• L’energia che una cella può assorbire L’energia che una cella può assorbire dipende dalle caratteristiche del dipende dalle caratteristiche del materiale, in particolare per celle in materiale, in particolare per celle in silicio l’efficienza raggiunge i seguenti silicio l’efficienza raggiunge i seguenti valori medi:valori medi:

1.1.Silicio monocristallino Silicio monocristallino 1515÷17 ÷17 %%

2.2.Silicio policristallino Silicio policristallino 1212÷14÷14 % %

3.3.Silicio amorfo Silicio amorfo 6 6÷7÷7 % %

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Type Typical module efficiency

[%]

Maximum recorded module

efficiency[%]

Maximum recorded

laboratory efficiency

[%]Silicio Monocristallino 13-18 22,7 24,7

Silicio policristallino 11-14 15,3 19,8

Silicio amorfo 5-7 - 12,7

Cadmium telluride - 10,5 16.0

CIGS 5-6 12,1 18,2

Efficienza della cella (4)Efficienza della cella (4)

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Caratteristica I-V della cellaCaratteristica I-V della cella

Caratteristiche I-V a Caratteristiche I-V a differenti intensità di differenti intensità di

irraggiamentoirraggiamento

Caratteristiche I-V a Caratteristiche I-V a differenti temperature differenti temperature

della celladella cella

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Effetto della temperaturaEffetto della temperatura

• La temperatura influisce sulle prestazioni La temperatura influisce sulle prestazioni di una cella solare, in particolare su:di una cella solare, in particolare su:– Corrente di corto circuito Corrente di corto circuito – Tensione a circuito apertoTensione a circuito aperto

• Un aumento di temperatura comporta Un aumento di temperatura comporta una perdita di efficienza di una perdita di efficienza di trasformazione.trasformazione.

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Effetto della temperatura Effetto della temperatura (1)(1)• In un semiconduttore puro il numero di elettroni In un semiconduttore puro il numero di elettroni

liberi è sempre uguale al numero di lacune; la liberi è sempre uguale al numero di lacune; la conducibilità elettrica che ne deriva è detta conducibilità elettrica che ne deriva è detta intrinseca per distinguerla dalla conducibilità intrinseca per distinguerla dalla conducibilità dovuta alle impurità. dovuta alle impurità.

• Nel silicio puro il numero di elettroni nella banda Nel silicio puro il numero di elettroni nella banda di conduzione è uguale al numero di lacune nella di conduzione è uguale al numero di lacune nella banda di valenza poiché le coppie elettrone-banda di valenza poiché le coppie elettrone-lacuna sono create o dall’assorbimento di un lacuna sono create o dall’assorbimento di un fotone o dall’eccitazione termica. fotone o dall’eccitazione termica.

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Effetto della temperatura Effetto della temperatura (2)(2)

• NNCC, , NNVV: effettive densità di stato per le : effettive densità di stato per le bande di conduzione e valenzabande di conduzione e valenza

• nnii la concentrazione dei portatori intrinseci, la concentrazione dei portatori intrinseci, • EEgg il gap energetico il gap energetico • kk la costante di Boltzmann la costante di Boltzmann

2 exp gi C V

En p n N N

kT

• La concentrazione di portatori intrinseci La concentrazione di portatori intrinseci nn aumenta all’aumentare della temperatura aumenta all’aumentare della temperatura secondo la relazionesecondo la relazione

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Effetto della temperatura Effetto della temperatura (3)(3)• La concentrazione di portatori intrinseci è La concentrazione di portatori intrinseci è

data anche da: data anche da:

3/ 4 3/ 4 3/ 219 -3

0 0

2.5 exp 10 cm300 K 2

gde dhi

E Tm m Tn T

m m kT

– mmdede e e mmdhdh sono le densità di massa di sono le densità di massa di stato effettiva di elettroni e lacunestato effettiva di elettroni e lacune

– mm00 è la massa dell’elettrone libero è la massa dell’elettrone libero

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Effetto della temperatura Effetto della temperatura (4)(4)• Il gap energetico, in prossimità della Il gap energetico, in prossimità della

temperatura ambiente, è con buona temperatura ambiente, è con buona approssimazione lineare con la temperaturaapprossimazione lineare con la temperatura

300 K 300 Kgg g

dEE T E T

dT

• Silicio Silicio – dEdEgg/dT /dT = -2.8·10= -2.8·10-4-4 eV/K eV/K

– EEgg(300 K)=1.12 eV(300 K)=1.12 eV

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3838

Effetto della temperatura Effetto della temperatura (5)(5)

• Al crescere della temperatura aumenta lo Al crescere della temperatura aumenta lo spettro utile di energia radiante incidente spettro utile di energia radiante incidente poiché diminuisce poiché diminuisce EEgg ed anche fotoni con ed anche fotoni con lunghezze d’onda più alte sono in grado di lunghezze d’onda più alte sono in grado di generare coppie lacuna-elettrone. Come generare coppie lacuna-elettrone. Come esempio l’aumento di temperatura da 300 a esempio l’aumento di temperatura da 300 a 380 K porta ad un aumento della lunghezza 380 K porta ad un aumento della lunghezza d’onda utile di 19 nm:d’onda utile di 19 nm:

1 1

1.126 1.107 μm 19 nm380 K 300 Kl

g g

hcE E

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3939

Effetto della temperatura Effetto della temperatura (6)(6)• Il coefficiente di temperatura Il coefficiente di temperatura TCTC per un per un

generico parametro generico parametro ZZ è definito è definito

25

1

nT C

ZTC

Z T

• La temperatura di riferimento La temperatura di riferimento TTnn è pari a 25 ° è pari a 25 °

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4040

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: IIphph

• La corrente fotogenerata è data daLa corrente fotogenerata è data da

phI qN

• NN è la quantità di fotoni con lunghezza d’onda è la quantità di fotoni con lunghezza d’onda che colpiscono la cella nell’unità di tempo che colpiscono la cella nell’unità di tempo

è la risposta spettrale è la risposta spettrale

• qq è la carica dell’elettrone è la carica dell’elettrone

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4141

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: IIphph

(1)(1)• La potenza incidente spettrale è data daLa potenza incidente spettrale è data da

• La La corrente fotogeneratacorrente fotogenerata è data quindi da è data quindi da

hcP N

0

dl

ph ph

P qI q I P

hc hc

ll è la lunghezza d’onda utile limiteè la lunghezza d’onda utile limite

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4242

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: IIphph

(2)(2)• Il maggior numero di portatori generato Il maggior numero di portatori generato

dall’aumento della lunghezza d’onda limite dall’aumento della lunghezza d’onda limite utile al crescere della temperatura si traduce utile al crescere della temperatura si traduce in un aumento della corrente di corto circuitoin un aumento della corrente di corto circuito::

sc phI I qN

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4343

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: II00

• La diminuzione del gap di energia tra la La diminuzione del gap di energia tra la banda di valenza e quella di conduzione con banda di valenza e quella di conduzione con l’aumento della temperatura rende possibile l’aumento della temperatura rende possibile l’attivazione di un numero maggiore di l’attivazione di un numero maggiore di elettroni per eccitazione termica. elettroni per eccitazione termica.

• Questi portatori addizionali causano un Questi portatori addizionali causano un incremento della corrente inversa incremento della corrente inversa II00 e, di e, di conseguenza, una diminuzione della tensione conseguenza, una diminuzione della tensione a circuito aperto a circuito aperto VVococ

0 exp gEIkT

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4444

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: II00

(1)(1)• Il coefficiente di temperatura della Il coefficiente di temperatura della

corrente inversa in una giunzione ideale di corrente inversa in una giunzione ideale di silicio alla temperatura di 300 K e con silicio alla temperatura di 300 K e con EEgg = = 1.12 eV è quindi pari a1.12 eV è quindi pari a::

0

02

0

114.5g

T T

EdI

I dT kT

(%/K)

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4545

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: VVococ• Nell’ipotesi in cui Nell’ipotesi in cui RRshsh>>>>RRss e e RRshsh>>>>VV si ha: si ha:

0 exp 1sph d ph

V I RI I I I I q

nkT

0 0

ln 1 lnph phoc

I InkT kTV V

q I q I

• Per Per II =0 si ottiene=0 si ottiene

• Al crescere della temperatura, la corrente di Al crescere della temperatura, la corrente di saturazione aumenta più velocemente della saturazione aumenta più velocemente della corrente fotogenerata e questo si traduce in corrente fotogenerata e questo si traduce in rapido calo della tensione a circuito apertorapido calo della tensione a circuito aperto

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4646

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: VVococ (1)(1)• La dipendenza della tensione di corto circuito La dipendenza della tensione di corto circuito

con la temperatura è data anche da:con la temperatura è data anche da:

00 0

0 0

31 lng

oc oc oc

E T kT TV T V T V T

q T q T

• Per una variazione della temperatura della cella da Per una variazione della temperatura della cella da

TT00 = 300 K a 260 K si ha il termine (3 = 300 K a 260 K si ha il termine (3kTkT//qq) ln() ln(TT//TT00) ) 9.6 mV9.6 mV risulta trascurabile per cui la tensione a risulta trascurabile per cui la tensione a circuito aperto è approssimativamente una circuito aperto è approssimativamente una funzione lineare con la temperatura:funzione lineare con la temperatura:

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4747

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: VVococ (2)(2)

• La dipendenza della tensione di corto La dipendenza della tensione di corto circuito con la temperatura è data anche da:circuito con la temperatura è data anche da:

00 0

0 0

31 lng

oc oc oc

E T kT TV T V T V T

q T q T

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4848

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: VVococ (3)(3)• Nell’intervallo 260K < Nell’intervallo 260K < TT00 < 300K il termine < 300K il termine

(3(3kTkT//qq))∙∙ln(ln(TT//TT00) risulta trascurabile per cui la ) risulta trascurabile per cui la tensione a circuito aperto è approssimativamente tensione a circuito aperto è approssimativamente una funzione lineare con la temperatura:una funzione lineare con la temperatura:

300 K 300 Kococ oc

dVV T V T

dT

• Nel caso in cui Nel caso in cui TT00 = 300K, = 300K, EEg0g0 = 1.21 eV, e = 1.21 eV, e VVococ((TT00) = 0.55 V, tipico delle celle al silicio, ) = 0.55 V, tipico delle celle al silicio,

si ottiene dsi ottiene dVVococ//dT dT = = -2.45-2.45 (mV/K). (mV/K).

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4949

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: efficienzaefficienza

• L’aumento della temperatura della cella L’aumento della temperatura della cella produce come principale effetto una produce come principale effetto una riduzione riduzione della potenza massimadella potenza massima in uscita ( in uscita (PPMPPMPP).).

• La diminuzione della tensione a circuito aperto La diminuzione della tensione a circuito aperto VVococ, dovuta alla variazione esponenziale con la , dovuta alla variazione esponenziale con la temperatura della corrente inversa di temperatura della corrente inversa di saturazione, è compensata solo in piccola parte saturazione, è compensata solo in piccola parte dal piccolo aumento della corrente di corto dal piccolo aumento della corrente di corto circuito circuito IIscsc. .

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5050

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: efficienza efficienza

• La corrente di corto circuito La corrente di corto circuito e la tensione a circuito e la tensione a circuito aperto presentano una aperto presentano una proporzionalità diretta proporzionalità diretta all’irraggiamento solareall’irraggiamento solare, ma , ma la corrente di corto circuito la corrente di corto circuito cresce di poco all’aumentare cresce di poco all’aumentare della radiazione incidente. della radiazione incidente.

• Risulta molto più evidente il Risulta molto più evidente il ribasso di ribasso di VVococ dovuto dovuto all’innalzamento della all’innalzamento della temperatura della cella. temperatura della cella.

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5151

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: efficienzaefficienza• L’efficienza L’efficienza di una cella solare o di un pannello di una cella solare o di un pannello

è una funzione della propria temperatura è una funzione della propria temperatura TTcellcell e e dell’irraggiamento dell’irraggiamento secondo la relazione: secondo la relazione:

0 01 cellT T Log

00 è l’efficienza in condizioni di prova è l’efficienza in condizioni di prova normalizzate normalizzate STCSTC ( (Standard Test ConditionStandard Test Condition):):

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5252

STC (Standard Test Conditions)STC (Standard Test Conditions)

• Irraggiamento utilizzato per le prove, Irraggiamento utilizzato per le prove, misurato con un dispositivo di riferimento:misurato con un dispositivo di riferimento:

– Temperatura della cella Temperatura della cella TT00 = = 25°C25°C ± 2 °C ± 2 °C

– Potenza irraggiata Potenza irraggiata = = 1000 W/m1000 W/m22

– Spettro solare Spettro solare AM 1.5AM 1.5..

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5353

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: efficienza efficienza • Spesso nell’equazione precedente è Spesso nell’equazione precedente è

omesso il termine di dipendenza dalla omesso il termine di dipendenza dalla radiazione incidente e l’equazioneradiazione incidente e l’equazione

0 01 cellT T

0 0cellT T 0

• valori forniti dai costruttori presentano valori di valori forniti dai costruttori presentano valori di compresi tra 0.3 e 0.5 %Kcompresi tra 0.3 e 0.5 %K-1-1

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5454

Effetto della temperatura: Effetto della temperatura: efficienza efficienza

SHELLcurva efficienza - temperatura della cella

0%2%

4%6%8%10%

12%14%16%

18%20%

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

[°C]

SHELL PowerMax Plus 40

SHELL PowerMax Plus 50

SHELL PowerMax Ultra 80-P

SHELL PowerMax Ultra 85-P

SHELL PowerMax Ultra 165-P

SHELL PowerMax Ultra 175-P

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5555

Variazione dell'efficienza in funzione della temperatura della cella

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

16%

18%

20%

22%

24%

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

[°C]

BP solar BP 380 L

BP solar BP 485

BP solar BP 3125

BP solar BP 3150 L

BP solar SX 160B

BP solar BP 3160 L

BP solar SX 170B

BP solar BP 4175

Mitsubishi Electric PV-MF110EC3

Mitsubishi Electric PV-MF120EC3

Mitsubishi Electric PV-MF125EC3

Mitsubishi Electric PV-MF130EC3

Mitsubishi Electric PV-MF160EC3

Mitsubishi Electric PV-MF165EC3

Mitsubishi Electric PV-MF170EC3

PHOTOWATT PWX500 12V

PHOTOWATT PW500 12V

PHOTOWATT PW850 12V

PHOTOWATT PW6-110 12V

PHOTOWATT PW1000 12V

PHOTOWATT PW1000 24V

PHOTOWATT PW6-123 12V

PHOTOWATT PW1250 24V

PHOTOWATT PW1650 12V

PHOTOWATT PW1650 24V

PHOTOWATT PW6-230 12V

PHOTOWATT PW6-230 24V

RWE-SCHOTT ASE-50-ETF/17

RWE-SCHOTT ASE-160-GT-FT

RWE-SCHOTT ASE-260-DG-FT

RWE-SCHOTT ASE-275-DG-FT

RWE-SCHOTT ASE-300-DG-FT

SANYO HIP-180BA3

SANYO HIP-190BA3

SHELL PowerMax Plus 40

SHELL PowerMax Plus 50

SHELL PowerMax Ultra 80-P

SHELL PowerMax Ultra 85-P

SHELL PowerMax Ultra 165-P

SHELL PowerMax Ultra 175-P

SUNPOWER SPR-90

SUNPOWER SPR-200 BLK

SUNPOWER SPR-210