Presente e futuro del silicio nel fotovoltaico

S. Coffa, IMS R&D, STMicroelectronics

Tecnologie, tecniche impiantistiche e mercato del fotovoltaico, Padova, 21 Gennaio 2010

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Sommario

Energia: problemi ed opportunità

La ST nel settore fotovoltaico:- conversione di potenza- materiali e tecnologie per celle solari di nuova generazione

- JV per produzione pannelli solari

Temi connessi: energia “senza fili”-”energy scavenging” e microbatterie

Conclusioni: il polo fotovoltaico di Catania

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Consumo di energia elettrica nel mondo Risparmio introdotto dall‘utilizzo di componenti elettronici

6300TWh di risparmio nel consumo di energia elettrica nel 2020: equivalente a 360 centrali nucleari nel mondo!

16500

18000

19500

21000

22500

24000

2008

2010

2012

2014

2016

2018

2020

Senza risparmio energetico

Con risparmio energetico:- Motori elettrici- Illuminazione- Elettrodomestici

Co

nsu

mo

en

erg

ia in

TW

h

Energie rinnovabile:sole, vento,...

-37%or6300TWh

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Il contributo di ST nel settore della energia

Generazione ConversioneImmagaz-zinamentoEnergia

5

ST nel fotovoltaico

Motivazioni

• Mercato in grande crescita: 2.2 GWp nel 2007, crescita a 11GWp in 2012

• E’ possibile usare le sinergie con alcune nostre attività (processi basatisu film sottile, elettronica su plastica, nanostrutture, integrazioneeterogenea) e la leadership di ST nel campo dei dispositivi di potenza

• Mercato in crescita per i circuiti integrati di potenza usati nei pannelli e nei campi fotovoltaici

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IMS: una vasta gamma di prodottiIMS: una vasta gamma di prodotti

IMS

Power Analog

Microcontrollers Smart Cards and Standard Memories

MEMS&Healthcare

IMS

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IMS R&D: esperienza su substrati convenzionali e non convenzionali, nuovi materiali e attrezzature

Substrati (2-8 pollici, Gen2, fette e pannelli)

•Si •SiC•GaN, •plastic, •glass•Ceramics•…………

Materiali e tecnologie a film sottile•Si •Polymers/organic materials•High K •Ferroelectrics•Gan heteroepitaxy•SiC epitaxy•DNA, Proteins, enzyme•………………

Attrezzature abilitanti

•Low temperature PVD•Low temperature PECVD•Soft lithography•E-beam litography•Ink jet printers•…………

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Energia solare a varie latitudini e longitudiniL’area mediterranea della Europa è uno dei posti migliori per le attività solari

In un anno l’energia solare incidente è 1800-2000 KWh/m2 nel sud Europa e circa 800-900 kWh/m2 in nord Europa

Sorgente: European Communities - PVGIS

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DC / DCConverter

PV Panel

MPPT

DC / ACConverter

Batterypack

Optional

Boost converterwith built-inMPPT control

AC grid

MCUAnti islanding

Pw LModem

Meter

ST sviluppa soluzioni per ottenere la massimaenergia dai pannelli solari

ST: Attività sul fotovoltaico

10

AC grid

PV array

MeterInverter

Load

Junction box

SPV1020: Solar Energy Booster

Standard PV Panel

+-

Antiislanding

DC/ACconverter

DC/DCconverter

MPPT inverter anti-isl.control control control

Inverter basic architecture

BOOST+

MPPT

BOOST+

MPPT

BOOST+

MPPT

+-

ST distributedarchitecture

• Estrarre la massima energia dal campo fotovoltaico

a) Per una specifica tecnologia dei pannelli

Come ridurre il costo della energia generata?

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Evoluzione di SPV1020

Identificazione del pannello;“Shut down” locale per manutenzione;Diagnostica del pannello (temperatura, tensione, …);Misura della potenza erogata;Codice antifurto

ZigBee/IEEE 802.15.4 Characteristics:

• Dual PHY (2.4GHz and 868/915 MHz) • Data rates of 250 kbps (@2.4 GHz), 40 kbps

(@ 915 MHz), and 20 kbps (@868 MHz) • Optimized for low power applications

(battery life multi-month to years) • Multiple topologies: star, peer-to-peer, mesh • Range: 50m typical (5-500m based on

environment)

BOOST+

MPPT SPIport

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b) Migliorare la tecnologia dei pannelli per :

•Aumentare la efficienza•Ridurre i costi

Costo/m2 basso

Film sottili su vetro(grande area)

Building Integrated PV (BIPV)

Film sottili su fogli plastici

PV a concentrazione

cell

Lens

Come ridurre il costo della energia generata?

Film sottili “Si-based” :

12% in 201215% in 2015

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Attività R&D di ST su fotovoltaico

– Celle solari a film sottili e nanostrutturato• Cella a-Si:H, tandem e con film nanostrutturati• Linea pilota GEN2 (40x50 cm2) presso ST Catania• Utilizzo delle competenze di fotonica e nanostruttura esistente a

Catania (ST, CNR, Università)

– Tecnologia per PV a concentrazione• Progettazione e fabricazione di celle solari in in Si, GaAs and InGaP• Utilizzo linea pilota 6” pollici e sinergia con semiconduttori composti per la

potenza• Progettazione di sistemi ottici per concentrazione solare e separazione

spettrale

– Celle solari su substrati flessibili• Sistemi flessibili e conformabili anche per “energy scavenging”

Un team di 20 personeCollaborazioni con varie

istituzioni:Uni CT, Uni FE, CNR-IMM, CEA-Liten, etc.

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Celle di nuova generazione

“Solar Energy Conversion Toward 1 Terawatt”, David Ginley (NREL, USA), Martin A. Green (UNSW, Australia), Reuben Collins (Colorado School of Mines, USA), MRS Bull. Apr. 2008

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Competenze esistenti su fotonica e nanostrutture

Light emission from Er doped SQDOTs

Green light emission in 2001

SiO2

SQDOTs

SQDOTs FLASH Memories at CNR (National Research Council)

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Il punto di partenza: celle amorfe e micromorfe su vetro

Ottimizzazione del processo di deposizione

Su celle di qualche cm2: -pin a-Si:H: 6%-Micromorfa (a-Si:H+µcr): 9%

Su pannello GEN2:a-si:H 4.5% stabilizzatoMicromorfa (running)

R= 2; T=2500C

R= 3; T=2800C; Optimized purge

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Modulo film sottile su vetro

•Sputtering (TCO, Al)•PECVD: a-Si:H, microcristallino•Laser scribing

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Si quantum dots: band-gap

Correlation of dot size distribution with luminescenceand electrical transport of Si quantum dots embeddedin SiO2, S. Lombardo, S. Coffa, C. Bongiorno, C. Spinella, E. Castagna, A. Sciuto, C. Gerardi, F. Ferrari, B. Fazio, S. Privitera, Materials Science and Engineering B69–70 (2000) 295–298

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Breakdown of the k-Conservation Rule in Si Nanocrystals

D. Kovalev, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 81 (1998)

NP / PA(TA)

NP / PA(TO)NP / PA(TO), in SiO2

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Celle fotovoltaiche multigiunzione nanostrutturate

0 1 2 3 40

1

2

3

4

5

6

x 10-4

Photon energy (eV)

Pow

er (W

/m2 /e

V)Multi-junction QD cell

AM1.5GRed Green Blue

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Coefficiente di assorbimento

3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5x 10-7

103

104

105

106

Wavelength (m)

Abso

rptio

n co

effic

ient

(cm

-1)

Si XTL Si (>5nm) nxtl-Si (3nm) nxtl-Si (2nm) Kirchartz et al.(2009) 1-2nmnxtl-Si (1.5nm) a-Si

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Assorbimento e trasporto

Dark

Light

Perfect ARC, no light trapping, same lifetime, "THICK" Oxides

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Deposizione di multistrati nanostrutturati

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Celle solari a nano-fili

Low-cost substrate

CVD-grown silicon nanowires

Base Emitter

Radial pnjunction

light

Kayes, J. Appl. Phys. (2005)

Kelzenberg, IEEE PV Specialist Conf. (2008)

▪ Crescita CVD di nanofili su substrati a basso costo

▪ Giunzione pn radiale

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Prestazioni delle celle in Si per CPV

10-2 10-1 100 101 10212

14

16

18

20

22

24

Pow

er C

onve

rsio

n E

ffici

ency

(%)

Irradiance (W/cm2)

Efficiency - FZ-OX(286) EPI-OX(288)

286/04E1 DEV13286/04E1 DEV14288/03G3 DEV13288/03G3 DEV14

1 – 300 SUNs

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Sistemi ottici per CPV

1 asse 2 assi

Separatore spettraleIntegrato nel ricevitore

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I tre volti della energia

“Infrastutture/domotica” Mobilità

Individuo

•“Grid-parity” PV•“Smart grid”•Immagazzinamento energia

•Auto ibrida•Auto elettrica•Sistemi caricamentoauto•Batterie più efficienti

•Energia “senza fili”•Interazione con ambiente

•……

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Esempio: “energy harvesting” per nodo sensoriale remoto

Energy harvestingASIC

SensorPower management

RF Module

Antenna

µ solar cell µ thermoelectric generator

Energy storageBatterie a film sottile: -spessore circa 200 um- alta affidabilità-Ricaricabile (con energia solare,

termica, vibrazioni, etc.)

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Fabricazione di dispositivi elettronici e fotonicisu substrati plastici

PEN bonded on carrier Devices on PEN after debonding

Processing

Tape laminationProtective pellicle

cutting and removing Carrier Plastic lamination Plastic cutting

Showing the concept: lamination/delamination of plastic foils on rigid substratesand “standard” clean room processing

Batch approach

30

Processi roll to roll

PEN thickness = 200µm

Roll width = 230mm

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Celle solari a-Si:H su fogli flessibili

10-3

10-2

10-1

100

101

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Sun

Effi

cien

cy (%

)

DATAModel

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• ENEL, SHARP ed ST realizzeranno a Catania una fabbrica di pannelli a film sottile tripla giunzione

• La ST Microelectronics ha a Catania una forte attività di R&D con competenze su dispositivi di potenza, dispositivi analogici, nuovimateriali e tecniche di deposizione, energia, fotovoltaico.

• ENEL é presente con un Centro di Eccellenza sulla Energia Solarespecializzato in caratterizzazioni outdoor and indoor (Affidabilità, resistenza ad agenti atmosferici, etc.) su celle e moduli fotovoltaici

• Sono presenti forti competenze in ambito universitario e nei laboratoridi ricerca pubblici

• Questo polo è collegato alle migliori realtà nazionali ed internazionali

Il polo fotovoltaico di Catania

“Nomen-omen”: l’area in cui sorge questo polo si chiama PRIMOSOLE