Photovoltaics (Italian)

Transizione alla nuova piattaforma tecnologica di produzione dell’energia (Italian)

Accelerare i tempi verso il successo di questa grande opportunità passa anche attraverso la semplificazione del processo di produzione. L’impiego del Laser si pone come uno strumento concreto e disponibile per essere utilizzato nelle più delicate fasi di lavorazione sia dei Silicon Wafer sia dei Thin Film. R. Rusconi e M.Tagliaferri.

In questo numero:

• Stato attuale e scenario futuro
• Principali tecnologie impiegate
• Il Laser nel processo di produzione

Lo stato attuale e lo scenario futuro

Sfruttare in maniera diretta la radiazione solare ha sempre esercitato una forte attrattiva per risolvere i crescenti bisogni di energia da parte delle nazioni più sviluppate. Fra le tecnologie più concrete ed emergenti il FOTOVOLTAICO rappresenta quella più promettente col tasso di crescita più elevato.Oltre a Stati Uniti, Giappone e Germania che attualmente si pongono in questo settore in posizione dominante , l’interesse crescente di quelle nazioni del sud Europa più irraggiate come Grecia Italia e Francia è una promessa di forte sviluppo industriale di questa tecnologia. Da parte sua l’Europa sostiene pervicacemente una politica di sviluppo di questa forma di produzione energetica ,rinnovabile e pulita, tanto che le previsioni di uno scenario “sostenuto politicamente” porta a considerare una crescita globale annua delle installazioni maggiore del 35%.

Fig.1 - Installazioni fotovoltaiche globali per anno

La politica di sostegno, che prevede anche meccanismi di supporto alla guida delle tariffe energetiche, prospetta un mercato globale annuo di 5,6 GW da raggiungere attorno alla fine di questo decennio, con un costo dei sistemi che decrescerà di circa il 5% annuo. L’attesa di queste prospettive sarà di supporto ad uno sviluppo successivo che renderà fortemente attrattiva questa forma di produzione energetica rinnovabile favorendone la transizione da forme di produzione meno sostenibili nel lungo periodo.

Fig.2 - Produzione energetica globale attesa nel lungo periodo

Una delle maggiori attese del 7° programma quadro europeo di finanziamento della ricerca e sviluppo delle Piattaforme tecnologiche per l’energia fotovoltaica è quello di un orizzonte di competitività di costi già nel breve periodo . I dati forniti dall’EPIA (European Photovoltaic Industry Association) indicano che l’ Europa arriverà a trarre energia fotovoltaica ad un costo paragonabile con le altre fonti già a partire dal 2015 per poi arrivare prima del 2050 ad un costo competitivo con tutte le altre tipologie di generazione!
Il continuo aumento dei costi di produzione dell’energia coi sistemi convenzionali legati all’inarrestabile ascesa del costo del petrolio è solo in parte mitigato dall’Euro forte e fa effettivamente ritenere che entro il decennio i costi di generazione col sistema fotovoltaico potranno scendere fino a 0.15 € /W con un prezzo del sistema “chiavi in mano” non maggiore di 2.5 € /W in competizione coi 2 € /W di altri sistemi tradizionali

Fig.3 - Evoluzione possibile di costo del fotovoltaico

Certamente il sud Europa, a causa del forte irraggiamento (> 1000 kWh per m2 per anno) risulta favorito, al punto che il costo del sistema installato viene ammortizzato entro pochi anni. Anche dal punto di vista del bilancio energetico, i sistemi attuali già forniscono , nel corso della loro vita utile, decine di volte l’energia originalmente impiegata per confezionarli. Il progresso tecnologico promette poi di aumentare il rendimento di conversione rendendo questo sensibile aspetto ancora più positivo e vantaggioso.

Fig.4 - Energy Pay-Back Time per diversi sistemi fotovoltaici

Appare chiara la visione di un mercato che , con l’espansione prospettata, porterà già nel breve periodo a fornire energia dal costo paragonabile a quella fossile e che crescerà poi fino ad assumere dimensioni colossali nel lungo periodo, realizzando l’auspicata transizione verso forme di energia rinnovabile e sostenibile.

Le tecnologie impiegate nella costruzione di celle e dei moduli fotovoltaici

La tecnologia più diffusa è senz'altro quella basata sui wafer-based cristalline silicon. Essa è nata col fotovoltaico ed ha dominato il mercato con prezzi decrescenti del 20% ad ogni raddoppio di produzione. Attualmente il 90% delle installazioni utilizza ancora questa tecnologia che impiega wafer il cui spessore si è progressivamente assottigliato , dal 1990 ad oggi , dai 0,4 mm sino a 0,2 mm con un’incremento dell’area da 100 sino a 240 cm2 . Di pari passo è andata aumentando l’efficienza passando dall’iniziale 10% sino al 13% attuale con punte del 17%. L’elevato numero di fasi necessarie per ottenere un modulo di silicio cristallino ( - produzione del silicio – purificazione – crescita del cristallo– slice del wafer – fabbricazione della cella– assemblaggio del modulo) fa capire come solo un significativo progresso in ogni fase può giustificare una significativa diminuzione del costo totale di produzione per raggiungere quanto precedentemente prospettato.
Più recentemente si è andata affermando un’altra tecnologia basata su thin-film solar cells costituite da un ossido depositato direttamente su larghe aree di substrato. E’ stato così possibile ottenere pannelli con aree nell’ordine del m2 e fogli lunghi diverse centinaia di m. Attualmente essa è utilizzata in non più del 10% della produzione di fotovoltaico ma è destinata a crescere sino al 20% entro il decennio in corso.Diversi sono i materiali impiegati con diverse efficienze: si và dal 13% del silicio amorfo microcristallino (TFSi) al 16,5% del semiconduttore policristallino (CdTe) sino al 19,5% del Seleniuro di Rame– Indio (CIGSS). L’ultimo nuovo sviluppo riguarda le organic solar cells basate sulla tecnica di deposizione su di un substrato polimerico di costo veramente basso con potenziale possibilità produttiva industriale centinaia di volte superiore a quella basata sulle tecnologie precedenti.L’efficienza mostrata da questa strada è ancora bassa ma la prospettiva di costo estremamente contenuto e la facilità di integrazione in grandi edifici la rende comunque fortemente attrattiva.
Recentemente la rapida crescita della richiesta di silicio per l’utilizzo nel fotovoltaico è stata tale da sorpassare il consumo dello stesso nell’industria dei semiconduttori ed ha provocato una riduzione delle scorte con l’inevitabile temporaneo aumento del costo delle celle basate su una tecnologia che ne fa invece un impiego massiccio. Questa inaspettata crisi di materia prima ha portato l’Industria del fotovoltaico a considerare con crescente favore l’alternativa del thin-film ove l’impiego di silicio come materiale attivo si limita a spessori di 1/1000 di mm o ne è addirittura assente.La forte attrattiva rappresentata dal basso costo risultante dalla ridotta necessità di materiale attivo e prospetta concretamente la possibilità di forte riduzione dei costi dei moduli ha per contro richiesto di affinare le tecniche di lavorazione attraverso strumenti di alta tecnologia e sofisticazione.

Il laser nel processo di produzione delle Thin –Film Solar Cells

Il Laser a stato solido pompato a diodi (DPSS) si pone come lo strumento ideale da impiegare efficacemente per le varie fasi di lavorazione delle thin-film solar cells .consistenti in successive operazioni di incisione, deposizione e rimozione di strati estremamente sottili senza intaccare il materiale sottostante.Si presenta infatti la necessità di (1) rimuovere selettivamente e con estrema precisione pochi micron di ossido di Indio che costituiscono il coating del supporto di vetro (ITO-glass) , per procedere poi (2) allo scribing del silicio semiconduttore deposto chimicamente in una fase successiva per creare infine (3) l’interconnessione tra le varie celle mediante il patterning dell’elettrodo posteriore di alluminio . La fig.5 riporta in maniera schematica le varie fasi necessarie alla realizzazione di un pannello solare di silicio amorfo prodotto con la tecnologia del thin-film.

Fig.5 - Fasi di Ablation –Scribing e Patterning per ottenere la cella solare

Le Sorgenti laser impiegate in questo delicato processo devono possedere , oltre ad una eccellente qualità del fascio ed alle lunghezze d’onda nell’infrarosso(1064nm) e nel verde (532nm), delle caratteristiche molto stringenti in relazione sia alla durata dell’impulso(15-35 ns) sia alla sua stabilità( <1-2%).

Fig.6 - Pulse to pulse stability [0,71%]

Fig.7 - Sorgenti Laservall IR e Green modello Violino™

Conclusione: Nel settore del Fotovoltaico, Laservall S.p.A., con i laser DPSS Violino IR e Violino Green ,offre le sorgenti OEM più adatte per affrontare l’integrazione in linea dell’ “utensile laser “ per la produzione di Celle Solari .

Marco Tagliaterri

Riccardo Rusconi