L’affascinante viaggio dalla meccanica quantistica al

fotovoltaico? Open Day

Catalina Curceanu, LNF-INFN 17 maggio 2014

La Tecnologia fotovoltaica

3

4

Planck, Einstein, Bohr, Sommerfeld

Heisenberg, De Broglie, Compton, Schrödinger,

Born, Pauli, Jordan, Kramers, Dirac, Wigner, …

(1900 1930)

Conferenza di Solvay (1927)

Descrive il comportamento di

“oggetti” molto piccoli

Principio di indeterminazione di

Heisenberg:

- Tanto piu’ precisamente

conosciamo la posizione di un

oggetto, tanto meno precisamente

conosciamo il suo impulso

Per la descrizione di oggetti come

l’atomo, e/o ancora piu’ piccoli

(particelle), c’e’ bisogno della

meccanica quantistica.

Heisenberg nel 1925,

all’eta’ di 24 anni

La m.q. ha rivoluzionato la descrizione

dell’universo fisico; il mondo microscopico

(atomi, molecole, particelle) si comporta in

maniera molto diversa da come si comportano gli

oggetti macroscopici della nostra esperienza

quotidiana. anche paradossi e bizzarrie, tuttora

un fertile argomento di ricerca in fisica.

Nascita della m.q. generata da una serie di

esperimenti inspiegabili dal punto di vista

classico (senso comune!) (irraggiamento del

corpo nero, righe spettrali atomiche, effetto

fotoelettrico,…)

3) L’EFFETTO FOTOELETTRICO – “corpuscoli di luce”

Effetto fotoelettrico: emissione di elettroni da un metallo che si

verifica quando esso è colpito da radiazione e.m. con una frequenza

superiore ad un certo valore di soglia che dipende dal tipo di metallo.

(Sfruttato oggi nelle cellule fotoelettriche e per l’uso dell’energia

solare).

.

Fatti inspiegabili con l’usuale descrizione ondulatoria:

1) l’energia cinetica degli

elettroni uscenti dipende solo

dalla frequenza della radiazione

e non dalla sua intensità.

2) L’emissione di elettroni

avviene in maniera istantanea e

non c’è mai ritardo,

indipendentemente dalla

intensità della radiazione

Einstein (1905) spiegò il fenomeno portando alle

estreme conseguenze l’idea di quantizzazione di Planck:

la radiazione è costituita da quanti di energia, (“licht-

quanten”) in seguito chiamati FOTONI. (Nobel) Spiegazione dell’effetto fotoelettrico: un elettrone assorbe un fotone di energia

hn e quando tale energia è superiore al lavoro di estrazione dal metallo W,

viene espulso da questo

Ecmax

hn W

La frequenza di soglia si

ottiene quando Ecmax = 0, e

quindi nth=W/h (usato per la

misura di h)

L’intensità della luce non

influenza tale processo, ma

solo la corrente, cioè il flusso

d’elettroni (questo perché

l’intensità è proporzionale al

flusso di fotoni)

Ritorno ad una descrizione corpuscolare

della radiazione (Newton). Come è in

accordo ciò con la descrizione dei

fenomeni d’interferenza e diffrazione della

luce, perfettamente spiegati dalla

descrizione ondulatoria della radiazione?

Prima comparsa del dualismo onda-

particella.

h

ph

mv

Le particelle possono presentare quindi fenomeni di interferenza e

diffrazione.

La diffrazione degli elettroni fu verificata sperimentalmente la prima

volta nel 1927 da Davisson e Germer.

ONDE DI MATERIA DI DE BROGLIE (1924)

La radiazione elettromagnetica presenta sia aspetti ondulatori

sia corpuscolari. Per simmetria ci si può aspettare che ciò

accada anche per la materia.

Ipotesi di de Broglie (1924): la materia può comportarsi come

un’ onda: ad ogni particella che si muove con quantità di moto

p, viene associata un’onda piana di lunghezza d’onda

15

La radiazione solare

16

Proprietà della luce

La luce solare è una forma di radiazione elettromagnetica

Lo spettro elettromagnetico descrive la luce

come un’onda con una particolare lunghezza d’onda

(Young, Arago e Fresnel )

La luce solare è costituita da

pacchetti di particelle con determinate energie

(Planck, Einstein )

i fotoni

17

Radiazione e.m.

La costante solare Intensità media della radiazione solare incidente in

direzione normale ad una superficie posta al di

fuori dell’atmosfera terrestre

w0 = 1.353 W/m2

(corrispondente alla distanza media Terra – Sole)

Variazioni di w nel corso dell’anno (variazione della distanza

reale Terra – Sole:

Data

radiazione

solare

(W/m2)

Data

radiazione

solare

(W/m2)

1 Gennaio 1399 1 Luglio 1309

4 Gennaio 1399 3 Luglio 1309

1 Febbraio 1393 1 Agosto 1313

1 Marzo 1378 1 Settembre 1329

1 Aprile 1355 1 Ottobre 1350

4 Aprile 1353 5 Ottobre 1353

1 Maggio 1332 1 Novembre 1374

1 Giugno 1316 1 Dicembre 1392

19

Passaggio attraverso

l’atmosfera Mentre la radiazione solare incidente sull’atmosfera terrestre

è relativamente costante, quella incidente sulla superficie

terrestre varia moltissimo a causa di:

•Effetti atmosferici (assorbimento, scattering)

•Variazioni locali dell’atmosfera (vapori, nuvole, inquinamento)

•Latitudine del sito

•Stagione dell’anno

•Ora del giorno

Mappe delle risorse solari

Carta dell’energia radiante su scala mondiale

(mese di gennaio)

(mese di agosto)

Mappe delle risorse solari Carta della massima energia radiante

(mese di gennaio)

(mese di agosto)

22

Come utilizzare questa

energia?

Effetto fotoelettrico!

Importante:

- la scelta dei materiali

(silicio e oltre)

- raccolta della corrente

elettrica

-.........

23

160

140

100

80

40

20

1.0

0.8

0.4

0.2

0.0 300 1200 400 500 600 1100 1000 900 800 700

24

La cella solare

è un dispositivo elettronico

capace di convertire direttamente

la luce solare in elettricità

Cos’è?

Come?

sfruttando le proprietà di conduzione

sotto illuminazione

di alcuni materiali semiconduttori

Cella solare commerciale

realizzata con tecnologia serigrafica

su substrato di silicio multicristallo

Area : 243 cm2

25

•un diodo a giunzione

Una cella solare si può schematizzare come:

Struttura di una cella solare -1

nel substrato di silicio drogato di tipo p (base) vengono diffuse

impurezze di fosforo per creare uno strato di tipo n (emitter)

e quindi realizzare la giunzione pn

emitter (n)

base (p)

Tramite la giunzione pn i portatori di carica fotogenerati

si separano e possono raggiungere i contatti metallici

26

•con contatti metallici sul fronte e sul retro

Struttura di una cella solare -2

Contatto di tipo n

generalmente realizzato

con argento

Contatto di tipo p

generalmente realizzato

con alluminio

Tramite i contatti metallici i portatori di carica

possono fluire dal diodo verso un circuito esterno

...

...

27

•collegato ad un circuito esterno

Struttura di una cella solare -3

+

I

V

Il collegamento del

dispositivo ad un circuito

esterno consente una

circolazione di corrente I e

la generazione di una

tensione V ai capi del

carico

una potenza elettrica P P = VI

...

28

Quando un fotone dotato di sufficiente

energia viene assorbito dalla cella

nel materiale semiconduttore

si crea una coppia di cariche elettriche

di segno opposto

Funzionamento di una cella solare

elettrone (-)

lacuna (+)

29

Schema e nomenclatura di una cella solare

Contatto del fronte

Contatto del retro

giunzione

Texturing e/o antiriflettente

Il contatto del fronte è costituito da

fingers e busbar

30

Il modulo fotovoltaico Un modulo FV consiste di un insieme di celle solari

elettricamente connesse e confezionate in un’unica unità

Tipicamente le celle vengono connesse in serie

per aumentare la tensione d’uscita del modulo.

Le celle interconnesse vengono incapsulate

(EVA+Tedlar+vetro) , laminate

ed infine viene montata la cornice

Generalmente un modulo è costituito

da 36 celle per assicurare una tensione

maggiore di 12 volts

31

Il sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico è costituito da un insieme di moduli

connessi in serie ed in parallelo a seconda dell’utilizzo

Nella connessione in serie :

•la tensione è la somma delle tensioni dei singoli moduli

•la corrente è pari alla corrente di ogni singolo modulo

Nella connessione in parallelo :

•la tensione è pari alla tensione di ogni singolo modulo

•la corrente è pari alla somma delle correnti dei singoli moduli

32

Applicazioni dei sistemi FV

Sistemi isolati

perché alimentano direttamente un carico elettrico

e la parte eccedente

viene accumulata in apposite batterie

Stand-alone

Sistemi connessi ad una rete di distribuzione

perché l’energia viene convertita in corrente alternata

per il carico utente e/o immessa nella rete

con la quale lavora in regime di interscambio

Grid-connected

33

La Tecnologia di processo

34

0

5

10

15

20

25

30

1920 1940 1960 1980 2000 2020Anno

Eff

[%

]

Laboratorio

Produzione

Evoluzione del fotovoltaico

Efficienza

valori di picco

su piccole aree

valori medi

su grandi aree

35

Suddivisionedella

tecnologia I Generazione

Tecnologia basata su fette di silicio

1a

II Generazione

Tecnologia basata su film sottile

2a

III Generazione

Sviluppo di concetti e tecnologie innovativi per raggiungere

alte efficienze e bassi costi

3a

36

CdTe, CIS (CIGS)

alta efficienza in laboratorio, stabilità, possibilità bassi costi

tecnologie non mature

Silicio amorfo

tecnologia nota e matura, versatilità

bassa efficienza, instabilità, difficoltà di ottenere costi contenuti

Eff. Commerciali attuali: 8-10 % (3Sun )

2a Materiali di base

37

38

Fenomeni che limitano l’efficienza

delle celle solari attuali ( )

1 La radiazione di energia elevata viene in parte persa sotto forma di calore

2 Non idealità del diodo

3 Non idealità dei contatti metallici

3 Materiali non puri o con difetti della struttura cristallina

86,8 %

2a 1a

Superando tali limiti si potrebbe raggiungere

il limite teorico di efficienza

3a

39

Il modulo fotovoltaico

40

Il modulo fotovoltaico Un modulo FV consiste di un insieme di celle solari

elettricamente connesse e confezionate in un’unica unità

Tipicamente le celle vengono connesse in serie

per aumentare la tensione d’uscita del modulo.

Le celle interconnesse vengono incapsulate

(EVA+Tedlar+vetro) , laminate

ed infine viene montata la cornice

Generalmente un modulo è costituito

da 36 celle per assicurare una tensione

maggiore di 12 volts

RISVI Simona De Iuliis dicembre

2002

41

Moduli flessibili

tedlar/policarbonato non trasparente

42

Applicazioni fotovoltaiche

43

Sunlogger

Contatore

Alla rete elettrica

Modulo PV laminato

Inverter

Struttura di montaggio

Sistema FV da tetto

connesso alla rete elettrica

44

installazione

...

45

Modularità

...

46

Possibilità di monitoraggio del

singolo modulo

...

47

KIT COMPLETO per SISTEMI

FOTOVOLTAICI per IMMISSIONE in RETE

PL800

•Moduli fotovoltaici

•Struttura in alluminio anodizzato

•Inverter, scatola di collegamento, cavi ed accessori di cablaggio

48

Centro ENEA di Portici, Italia ... Capacità del sistema : 3 kWp

49

... Roma, Italia

50

... Pistoia, Italia

RISVI Simona De Iuliis dicembre

2002

51

Aeroporto di Bologna, Italia

Capacità del sistema : 80 kWp ...

RISVI Simona De Iuliis dicembre

2002

52

... Rimini, Italia Capacità del sistema : 20 kWp

RISVI Simona De Iuliis dicembre

2002

53

Tetto australiano (Sydney) con Plug&Power

54

Esempi di sistema FV stand-alone

Isola di Zannone, Italia

Gruppo di batterie

...

55

Pumping System

Djeno Village - Congo Republic

...

56

Petrobel Platform PFSW2 -

Alexandria, Egypt

...

57

... Pensilina fotovoltaica

Costi

Programma del Ministero dell’Ambiente nel settore

fotovoltaico (2001-2004)

Programmi Destinatari Risorse MATT

e Regioni (M€)

Contributo

(%)

Installazioni

previste

(MW)

Bando nazionale

(2001)

Enti locali,

Università 10,5 75% 1,7

Bandi regionali

(2002-2003) Tutti 30 70% 6

Bandi regionali

(2003-2004) Tutti 48 65% 11

Rifinanziamento Enti locali,

Università 19 75% 3,2

Bando alta

valenza

architettonica

Enti locali 1,6 85% 0,15

Fondo 598

Ambiente

Piccole-medie

imprese 10 60% 3

TOTALE 119,1 25,05

Impiego attuale del solare

fotovoltaico in Italia

Gli impianti solari fotovoltaici possono essere

raggruppati nelle quattro categorie:

• residenze non collegate alla rete;

• utenze non abitative non collegate alla rete;

• impianti fotovoltaici distribuiti collegati alla rete;

• impianti fotovoltaici centralizzati collegati alla

rete.

Utilizzo attuale in Europa ed in Italia del solare termico e fotovoltaico

Potenza Solare Fotovoltaica installata in Italia nel 2010

Fonte:

European

Photovoltaic

Industry

Association

EPIA

Europa: Potenza Solare Fotovoltaica installata 2000-2011

Potenza Solare Fotovoltaica installata nel mondo 2010-2011

Fotovoltaico Italia: Scenario previsto al 2016

Fonte: European Photovoltaic Industry Association EPIA

“Le nostre prospettive scientifiche sono ormai agli

antipodi fra loro. Tu ritieni che Dio giochi a dadi con il

mondo: io credo invece che tutto obbedisca ad una legge,

in un mondo di realtà obiettive, che cerco di afferrare per

via totalmente speculativa. Lo credo fermamente, ma

spero che qualcuno scopra una strada più realistica o

meglio un fondamento più tangibile di quanto non abbia

saputo fare io. Nemmeno il grande successo iniziale della

teoria dei quanti riesce a convincermi che alla base di tutto

vi sia la casualità, anche se so bene che i colleghi più

giovani considerano questo atteggiamento come un

effetto di arteriosclerosi. Un giorno si saprà quale di questi

due atteggiamenti istintivi sarà stato quello giusto."

Albert Einstein (1926 – Lettera a Max Born)

Einstein pero’

MQ – future tecnologie: computr quantistico

Oppure “teletrasporto”

“Chi non resta sbalordito dalla meccanica quantistica evidentemente non la capisce”

Niels Bohr, 1927

TRANSCENDENCE