Sensor and Semiconductor Laboratory

Maria Cristina Carotta, Vincenzo Guidi,Cesare Malagù, Michele Benetti, Alessio Giberti,

Maria Angela Butturi, Marco Nagliati, Andrea Antonini, Marco Stefancich, Beatrice Vendemiati, Marco Piga, Sandro Gherardi, Mirco Blo, Paolo Zurro, Alex Zanni, Elena Ferrari, Moira Buzzolani, Ergisto Angeli, Luciano Milano, Andrea Magnani

Responsabile: Giuliano Martinelli

Dipartimento di Fisica

Universita` di Ferrara

Via Saragat, 1/C Side B, Room 118

44100 FERRARA

tel. +39 0532 974253

e-mail: martinelli@fe.infn.it

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Reattori atmosferici per drogaggio ed ossidazione dei wafer di silicioReattore LPCVD per ossidazione e nitrurazione di wafer di silicioPVD da sorgenti termiche ed e-gunLinea di fotolitografiaWet benchesPlasma etcherProbe station EllissometroSerigrafiaForni UV, IR e a muffola

Technology

Consumo di energia elettrica in Italia 2007(source: Energy autority, 2008)

330.000.000 MWh

Il 10% sono 33 milioni di MWh/anno

Con 1MW si ottengono 1000 MWh/anno

Quindi bisogna installare 33000 MW=33GW

Siccome per 1MW servono 10Ton di feedstockPer 33000 MW occorrono 330000 Ton contro una produzionemondiale di 57000Ton

600 kWh/kg quindi introdotte in atmosfera 600 kg di CO2/kg di feedstock

IL SILICIOIL SILICIOQuarziteQuarzite (SiO(SiO22))

18 kg18 kg

FornaceFornace ad ad arcoarcoSiOSiO22+2C+2C→→Si+2COSi+2CO22

HClHClHSiClHSiCl33

HSiClHSiCl33

DistillazioneDistillazione(200(200--400 400 °°C)C)

HSiClHSiCl33

ReazioneReazione con Hcon H2 2 (1200 (1200 °°C)C)HSiClHSiCl33 + H+ H22 →→ Si + 3HClSi + 3HCl

Feedstock

CrescitaCrescita CzochralskiCzochralski (1400 (1400 °°C)C) LingottiLingotti monocristallinimonocristallini ((finofino a 8a 8””))

TagliTagli, , LappaturaLappatura, , LucidaturaLucidatura

Wafers (1 kg)Wafers (1 kg)

Siliciopolicristallino

Siliciomonocristallino

Se si realizzasse il 10% del fabbisogno nazionale si Se si realizzasse il 10% del fabbisogno nazionale si

avrebbe un risparmio di 9 miliardi di euro allavrebbe un risparmio di 9 miliardi di euro all’’anno solo anno solo

sullsull’’acquisto del petrolio.acquisto del petrolio.

Consumo medio di petrolio pro capite (in Italia):

3 ton 25 barili

Costo: 90 miliardi di € all’anno (supponendo 100 $/barile)

La dipendenza da paesi stranieri e la stessa aleatorietà del costo al barile sono fattori estremamente negativi per la nostra economia.

Energia da distrubuire ed energia “portatile”

15006

0

0

7

5

0

trasporti industriaResiden

ziale

commerci

ale

Greggio

3000 l/persona/annoGas naturale

1

5

0

360 milioni di MWh/anno

Idroelettrico

Perdite e altri impieghi

Perdite e altri impieghi

90 miliardi di m3 anno di GN per risc

Dei 3000 litri di petrolio per persona si vede

dal diagramma precedenteche circa 1/9 viene impiegato per usi

domestici:

cioè 333 litri per cittadino

80 milioni di Mwh all’anno

che sarebbero circa 15 kWh/giorno per 15 milioni di famiglie

1 litro di combustibile = 4kWh elettrici

Moltiplicando per i 60 milioni di abitanti

Consideriamo una città il cui nucleo cittadino consista di 100mila abitanti. Cioè 25mila famiglie.

Ricordiamo 15kWh al giorno per famiglia. Pertanto il consumo di 25mila famiglie è di

137mila MWh/anno.

Se consideriamo che un kW installato produce in un anno circa 1500 kWh

Si trova che con 90 MW90 MW installati si può soddisfareil fabbisogno dell’intera cittintera cittàà

Per 90 MW sono necessari circa 100 ettari=1km2

EsempiEsempi didi concentrazioneconcentrazione

FOCUSFOCUS

DISHDISH

FotovoltaicoFotovoltaico per per concentrazioneconcentrazione

Concentratore sviluppato ai Sandia Natianal Laboratories nei tardo anni ’70. Questo sistema sfruttava lenti a punto focale di Fresnel su celle di silicio e due strutture di assi di inseguimento. Il raffreddamento era fornito da acqua fredda circolante nel portacella. Le lenti di Fresnel erano costruite con materiale acrilico

Amonix, Tempe, AZ

UC Merced, Merced CA

Sistemi fotovoltaici a concentrazione

Solfocus, Mountain View, CA

Concentrix Solar GmbH

Piatto parabolico con una concentrazione di 500X, daSolar System

FotovoltaicoFotovoltaico per per concentrazioneconcentrazione

Tracking

C Power C Power -- spinspin off di UNIFEoff di UNIFE

(Spectrolab)(Fraunhofer)

(Dishes)

(Spectrolab)

Guasco Solar

Isofoton-ES

Isfoc-ES

EMCORE Corp.

MultiMulti--giunzionegiunzione in seriein serie

Inserire slide con vantaggi separazione

spettrale vs. multigiunzione

1) La concentrazione solare permette di ridurre sensibilmente l’area del semiconduttore (ridurre i costi del sistema)

2) L’inseguimento solare elimina il fattore coseno garantendo un aumento della resa energetica del 25-30%

3) La separazione spettrale della radiazione solare tramite specchi dicroici abbinato all’utilizzo di più celle di conversione fotovoltaica garantiscono un elevato aumento dell’efficienza di conversione

I VANTAGGI DELLA SEPARAZIONE SPETTRALE

In particolare, i sistemi a concentrazione e

separazione spettrale permettono di:

1) RIDURRE SENSIBILMENTE I

FENOMENI DI SURRISCALDAMENTO

DI CELLA (il sistema di separazione

spettrale distribuisce l’energia su un area

maggiore e migliora la dissipazione

termica)

2) ELIMINARE GLI SVANTAGGI DOVUTI

ALL’ABERRAZIONE CROMATICA

3) AVERE FATTORI DI

CONCENTRAZIONE DIFFERENTI

SULLE DIVERSE CELLE

FOTOVOLTAICHE

I VANTAGGI DELLA SEPARAZIONE SPETTRALE

I sistemi a concentrazione e separazione spettrale rappresentano una

semplificazione tecnologica rispetto all’approccio a multigiunzione.

GIUNZIONE SINGOLAGIUNZIONE SINGOLA MULTIGIUNZIONE IN SERIEMULTIGIUNZIONE IN SERIE

MULTIGIUNZIONE IN PARALLELO CON SEPARAZIONE DEL FASCIOMULTIGIUNZIONE IN PARALLELO CON SEPARAZIONE DEL FASCIO

Primo prototipo di sistema a concentrazione fotovoltaica presso l’Università di Ferrara

A sinistra sono visibili i quattro specchi parabolici su cui sono posizionati i filtri dicroici per la separazione spettrale della luce solare.

A destra si notano le due celle su cui viene indirizzata la luce con diverso contenuto spettrale: le celle al silicio ricevono la componete infrarossa dello spettro, mentre le celle all’InGaP ricevono la componente ultravioletta dello spettro.

I componenti del sistema

Sistema di separazione

spettraleCelle al silicioConcentratore

ottico

Sistema di

inseguimento Celle InGaP

SISTEMI FOTOVOLTAICI A CONCENTRAZIONE E SEPARAZIONE SPETTRALESCHEMA A BLOCCHI

Prima ingegnerizzazione del sistema

a concentrazione fotovoltaica

Sistema progettato e realizzato presso l’Università di Ferrara con la collaborazione dell’Università di Trento

COMPONENTE

RIFLESSA (BLU)

COMPONENTE

RIFLESSA (ROSSA)

PINZETTA DI

SOSTEGNO

SPECCHIO

DICROICO

1 µm

(0.001 mm)

Substrato di vetro

Realizzazione di specchi dicroici

per la separazione spettrale della luce

COMPONENTETRASMESSA

Sistema di Array

Supporti virtuali-LEPECVD reactor

Plasma sourceAr inlet

Plasma focusingcoils

SiH4, GeH4, PH3

inlet

Auxiliaryanode

SubstrateHeater

Reattore LEPECVD (Reattore LEPECVD (UnifeUnife e e DichroicDichroic CellCell))

Reattore che permette di

effettuare la deposizione

epitassiale di Ge su Si

• Elevato rateo di

crescita

• Controllo della

difettività superficiale

E’ stata realizzata presso UNIFE una camera pulita in grado di ospitare l’apparecchiatura necessaria alla realizzazione di celle fotovoltaiche

III-V

Riteniamo che per ottenere quantitativi di energia elettrica significativi (10%del fabbisogno nazionale)debbano essere verificate le seguenti condizioni:

1) Disponibilità senza limite di materiale di base

2) Efficienze molto elevate (>30%)

3) Costi competitivi per eliminare rapidamente la dipendenza dagli incentivi

4) Intervento delle istituzioni per l’organizzazione e la gestione di un contributo energetico così importante; in assenza di questo, opereranno le leggi del libero mercato.

CONCLUSIONI