L’affascinante viaggio dalla meccanica quantistica al fotovoltaico? Open Day Catalina Curceanu, LNF-INFN 17 maggio 2014
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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
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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
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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
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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
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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
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•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
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•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 (+)
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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
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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
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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
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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
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