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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
(1900  1930)
Planck, Einstein, Bohr, Sommerfeld
Heisenberg, De Broglie, Compton, Schrödinger,
Born, Pauli, Jordan, Kramers, Dirac, Wigner, …
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
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,…)
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.
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:
.
l’energia
cinetica degli
elettroni uscenti dipende solo
dalla frequenza della radiazione
e non dalla sua intensità.
1)
L’emissione di elettroni
avviene in maniera istantanea e
non
c’è
mai
ritardo,
indipendentemente
dalla
intensità della radiazione
2)
Einstein (1905) spiegò il fenomeno portando alle
estreme conseguenze l’idea di quantizzazione di Planck:
la radiazione è costituita da quanti di energia, (“lichtquanten”) 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
L’intensità della luce non
influenza tale processo, ma
solo la corrente, cioè il flusso
d’elettroni (questo perché
l’intensità è proporzionale al
max
Ec  hn W
flusso di fotoni)
La frequenza di soglia si
ottiene quando Ecmax = 0, e
quindi nth=W/h (usato per la
misura di h)
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 ondaparticella.
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
h
h
 
p 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.
La radiazione solare
15
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
i fotoni
(Planck, Einstein )
16
Radiazione e.m.
17
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
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
19
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)
Come utilizzare questa
energia?
Effetto fotoelettrico!
Importante:
- la scelta dei materiali
(silicio e oltre)
- raccolta della corrente
elettrica
-.........
22
160
1.0
140
0.8
100
80
0.4
40
0.2
0.0
300
20
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
23
La cella solare
Cos’è?
è un dispositivo elettronico
capace di convertire direttamente
la luce solare in elettricità
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
24
Struttura di una cella solare -1
Una cella solare si può schematizzare come:
•un diodo a giunzione
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
25
Struttura di una cella solare -2
... •con contatti metallici sul fronte e sul retro
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
...
26
Struttura di una cella solare -3
... •collegato ad un circuito esterno
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
I
V
+
una potenza elettrica P
P = VI
27
Funzionamento di una
cella solare
Quando un fotone dotato di sufficiente
energia viene assorbito dalla cella
nel materiale semiconduttore
si crea una coppia di cariche elettriche
di segno opposto
elettrone (-)
lacuna (+)
28
Schema e nomenclatura
di una cella solare
Texturing e/o antiriflettente
Contatto del fronte
giunzione
Il contatto del fronte è costituito da
fingers e busbar
Contatto del retro
29
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.
Generalmente un modulo è costituito
da 36 celle per assicurare una tensione
maggiore di 12 volts
Le celle interconnesse vengono incapsulate
(EVA+Tedlar+vetro) , laminate
ed infine viene montata la cornice
30
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
31
Applicazioni dei sistemi FV
Stand-alone
Sistemi isolati
perché alimentano direttamente un carico elettrico
e la parte eccedente
viene accumulata in apposite batterie
Grid-connected
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
32
La Tecnologia di processo
33
Evoluzione del fotovoltaico
Efficienza
30
Laboratorio
25
Produzione
valori di picco
su piccole aree
Eff [%]
20
15
10
5
0
1920
valori medi
su grandi aree
1940
1960 1980
Anno
2000
2020
34
Suddivisione
della
tecnologia
I Generazione
1a
Tecnologia basata su fette di silicio
II Generazione
2a
Tecnologia basata su film sottile
3a
III Generazione
Sviluppo di concetti e tecnologie innovativi per raggiungere
alte efficienze e bassi costi
35
Materiali di base
2a
Silicio amorfo
 tecnologia nota e matura, versatilità
 bassa efficienza, instabilità, difficoltà di ottenere costi contenuti
Eff. Commerciali attuali: 8-10 % (3Sun )

CdTe, CIS (CIGS)
alta efficienza in laboratorio, stabilità, possibilità bassi costi
 tecnologie non mature
36
37
Fenomeni che limitano l’efficienza
delle celle solari attuali ( 1a 2a )
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
Superando tali limiti
si potrebbe raggiungere
il limite teorico
di efficienza
3a
86,8 %
38
Il modulo fotovoltaico
39
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.
Generalmente un modulo è costituito
da 36 celle per assicurare una tensione
maggiore di 12 volts
Le celle interconnesse vengono incapsulate
(EVA+Tedlar+vetro) , laminate
ed infine viene montata la cornice
40
Moduli flessibili
tedlar/policarbonato non trasparente
RISVI Simona De Iuliis dicembre
2002
41
Applicazioni fotovoltaiche
42
Sistema FV da tetto
connesso alla rete elettrica
Struttura di montaggio
Inverter
Modulo PV laminato
Sunlogger
Contatore
Alla rete elettrica
43
installazione
...
44
Modularità
...
45
Possibilità di monitoraggio del
singolo modulo
...
46
KIT COMPLETO per SISTEMI
FOTOVOLTAICI per IMMISSIONE in RETE
•Moduli fotovoltaici
•Struttura in alluminio anodizzato
PL800
•Inverter, scatola di collegamento, cavi ed accessori di cablaggio
47
...
Centro ENEA di Portici, Italia
Capacità del sistema : 3 kWp
48
...
Roma, Italia
49
...
Pistoia, Italia
50
Aeroporto di Bologna, Italia
...
Capacità del sistema : 80 kWp
RISVI Simona De Iuliis dicembre
2002
51
...
Rimini, Italia
Capacità del
sistema : 20 kW
RISVI Simona De Iuliis dicembre p
2002
52
Tetto australiano (Sydney) con Plug&Power
RISVI Simona De Iuliis dicembre
2002
53
Esempi di sistema FV
stand-alone
Isola di Zannone, Italia
...
Gruppo di batterie
54
...
Pumping System
Djeno Village - Congo Republic
55
...
Petrobel Platform PFSW2 Alexandria, Egypt
56
Pensilina fotovoltaica
...
57
Costi
Programma del Ministero dell’Ambiente nel settore
fotovoltaico (2001-2004)
Contributo
(%)
Installazioni
previste
(MW)
Programmi
Destinatari
Risorse MATT
e Regioni (M€)
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
Europa: Potenza Solare Fotovoltaica installata 2000-2011
Fonte:
European
Photovoltaic
Industry
Association
EPIA
Potenza Solare Fotovoltaica installata nel mondo 2010-2011
Fotovoltaico Italia: Scenario previsto al 2016
Fonte: European Photovoltaic Industry Association EPIA
Einstein pero’
 “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)
MQ – future tecnologie: computr quantistico
Oppure “teletrasporto”
“Chi non resta sbalordito dalla meccanica
quantistica evidentemente non la capisce”
Niels Bohr, 1927
TRANSCENDENCE

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