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Presente e futuro del silicio nel fotovoltaico
S. Coffa, IMS R&D, STMicroelectronics
Tecnologie, tecniche impiantistiche e mercato del fotovoltaico, Padova, 21 Gennaio 2010
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2
Sommario
Energia: problemi ed opportunità
La ST nel settore fotovoltaico:- conversione di potenza- materiali e tecnologie per celle solari di nuova generazione
- JV per produzione pannelli solari
Temi connessi: energia “senza fili”-”energy scavenging” e microbatterie
Conclusioni: il polo fotovoltaico di Catania
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3
Consumo di energia elettrica nel mondo Risparmio introdotto dall‘utilizzo di componenti elettronici
6300TWh di risparmio nel consumo di energia elettrica nel 2020: equivalente a 360 centrali nucleari nel mondo!
16500
18000
19500
21000
22500
24000
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
Senza risparmio energetico
Con risparmio energetico:- Motori elettrici- Illuminazione- Elettrodomestici
Co
nsu
mo
en
erg
ia in
TW
h
Energie rinnovabile:sole, vento,...
-37%or6300TWh
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4
Il contributo di ST nel settore della energia
Generazione ConversioneImmagaz-zinamentoEnergia
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5
ST nel fotovoltaico
Motivazioni
• Mercato in grande crescita: 2.2 GWp nel 2007, crescita a 11GWp in 2012
• E’ possibile usare le sinergie con alcune nostre attività (processi basatisu film sottile, elettronica su plastica, nanostrutture, integrazioneeterogenea) e la leadership di ST nel campo dei dispositivi di potenza
• Mercato in crescita per i circuiti integrati di potenza usati nei pannelli e nei campi fotovoltaici
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6
IMS: una vasta gamma di prodottiIMS: una vasta gamma di prodotti
IMS
Power Analog
Microcontrollers Smart Cards and Standard Memories
MEMS&Healthcare
IMS
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7
IMS R&D: esperienza su substrati convenzionali e non convenzionali, nuovi materiali e attrezzature
Substrati (2-8 pollici, Gen2, fette e pannelli)
•Si •SiC•GaN, •plastic, •glass•Ceramics•…………
Materiali e tecnologie a film sottile•Si •Polymers/organic materials•High K •Ferroelectrics•Gan heteroepitaxy•SiC epitaxy•DNA, Proteins, enzyme•………………
Attrezzature abilitanti
•Low temperature PVD•Low temperature PECVD•Soft lithography•E-beam litography•Ink jet printers•…………
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8
Energia solare a varie latitudini e longitudiniL’area mediterranea della Europa è uno dei posti migliori per le attività solari
In un anno l’energia solare incidente è 1800-2000 KWh/m2 nel sud Europa e circa 800-900 kWh/m2 in nord Europa
Sorgente: European Communities - PVGIS
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9
DC / DCConverter
PV Panel
MPPT
DC / ACConverter
Batterypack
Optional
Boost converterwith built-inMPPT control
AC grid
MCUAnti islanding
Pw LModem
Meter
ST sviluppa soluzioni per ottenere la massimaenergia dai pannelli solari
ST: Attività sul fotovoltaico
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AC grid
PV array
MeterInverter
Load
Junction box
SPV1020: Solar Energy Booster
Standard PV Panel
+-
Antiislanding
DC/ACconverter
DC/DCconverter
MPPT inverter anti-isl.control control control
Inverter basic architecture
BOOST+
MPPT
BOOST+
MPPT
BOOST+
MPPT
+-
ST distributedarchitecture
• Estrarre la massima energia dal campo fotovoltaico
a) Per una specifica tecnologia dei pannelli
Come ridurre il costo della energia generata?
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11
Evoluzione di SPV1020
Identificazione del pannello;“Shut down” locale per manutenzione;Diagnostica del pannello (temperatura, tensione, …);Misura della potenza erogata;Codice antifurto
ZigBee/IEEE 802.15.4 Characteristics:
• Dual PHY (2.4GHz and 868/915 MHz) • Data rates of 250 kbps (@2.4 GHz), 40 kbps
(@ 915 MHz), and 20 kbps (@868 MHz) • Optimized for low power applications
(battery life multi-month to years) • Multiple topologies: star, peer-to-peer, mesh • Range: 50m typical (5-500m based on
environment)
BOOST+
MPPT SPIport
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b) Migliorare la tecnologia dei pannelli per :
•Aumentare la efficienza•Ridurre i costi
Costo/m2 basso
Film sottili su vetro(grande area)
Building Integrated PV (BIPV)
Film sottili su fogli plastici
PV a concentrazione
cell
Lens
Come ridurre il costo della energia generata?
Film sottili “Si-based” :
12% in 201215% in 2015
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Attività R&D di ST su fotovoltaico
– Celle solari a film sottili e nanostrutturato• Cella a-Si:H, tandem e con film nanostrutturati• Linea pilota GEN2 (40x50 cm2) presso ST Catania• Utilizzo delle competenze di fotonica e nanostruttura esistente a
Catania (ST, CNR, Università)
– Tecnologia per PV a concentrazione• Progettazione e fabricazione di celle solari in in Si, GaAs and InGaP• Utilizzo linea pilota 6” pollici e sinergia con semiconduttori composti per la
potenza• Progettazione di sistemi ottici per concentrazione solare e separazione
spettrale
– Celle solari su substrati flessibili• Sistemi flessibili e conformabili anche per “energy scavenging”
Un team di 20 personeCollaborazioni con varie
istituzioni:Uni CT, Uni FE, CNR-IMM, CEA-Liten, etc.
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Celle di nuova generazione
“Solar Energy Conversion Toward 1 Terawatt”, David Ginley (NREL, USA), Martin A. Green (UNSW, Australia), Reuben Collins (Colorado School of Mines, USA), MRS Bull. Apr. 2008
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Competenze esistenti su fotonica e nanostrutture
Light emission from Er doped SQDOTs
Green light emission in 2001
SiO2
SQDOTs
SQDOTs FLASH Memories at CNR (National Research Council)
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Il punto di partenza: celle amorfe e micromorfe su vetro
Ottimizzazione del processo di deposizione
Su celle di qualche cm2: -pin a-Si:H: 6%-Micromorfa (a-Si:H+µcr): 9%
Su pannello GEN2:a-si:H 4.5% stabilizzatoMicromorfa (running)
R= 2; T=2500C
R= 3; T=2800C; Optimized purge
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Modulo film sottile su vetro
•Sputtering (TCO, Al)•PECVD: a-Si:H, microcristallino•Laser scribing
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Si quantum dots: band-gap
Correlation of dot size distribution with luminescenceand electrical transport of Si quantum dots embeddedin SiO2, S. Lombardo, S. Coffa, C. Bongiorno, C. Spinella, E. Castagna, A. Sciuto, C. Gerardi, F. Ferrari, B. Fazio, S. Privitera, Materials Science and Engineering B69–70 (2000) 295–298
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Breakdown of the k-Conservation Rule in Si Nanocrystals
D. Kovalev, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 81 (1998)
NP / PA(TA)
NP / PA(TO)NP / PA(TO), in SiO2
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20
Celle fotovoltaiche multigiunzione nanostrutturate
0 1 2 3 40
1
2
3
4
5
6
x 10-4
Photon energy (eV)
Pow
er (W
/m2 /e
V)Multi-junction QD cell
AM1.5GRed Green Blue
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21
Coefficiente di assorbimento
3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5x 10-7
103
104
105
106
Wavelength (m)
Abso
rptio
n co
effic
ient
(cm
-1)
Si XTL Si (>5nm) nxtl-Si (3nm) nxtl-Si (2nm) Kirchartz et al.(2009) 1-2nmnxtl-Si (1.5nm) a-Si
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22
Assorbimento e trasporto
Dark
Light
Perfect ARC, no light trapping, same lifetime, "THICK" Oxides
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Deposizione di multistrati nanostrutturati
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Celle solari a nano-fili
Low-cost substrate
CVD-grown silicon nanowires
Base Emitter
Radial pnjunction
light
Kayes, J. Appl. Phys. (2005)
Kelzenberg, IEEE PV Specialist Conf. (2008)
▪ Crescita CVD di nanofili su substrati a basso costo
▪ Giunzione pn radiale
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25
Prestazioni delle celle in Si per CPV
10-2 10-1 100 101 10212
14
16
18
20
22
24
Pow
er C
onve
rsio
n E
ffici
ency
(%)
Irradiance (W/cm2)
Efficiency - FZ-OX(286) EPI-OX(288)
286/04E1 DEV13286/04E1 DEV14288/03G3 DEV13288/03G3 DEV14
1 – 300 SUNs
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26
Sistemi ottici per CPV
1 asse 2 assi
Separatore spettraleIntegrato nel ricevitore
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27
I tre volti della energia
“Infrastutture/domotica” Mobilità
Individuo
•“Grid-parity” PV•“Smart grid”•Immagazzinamento energia
•Auto ibrida•Auto elettrica•Sistemi caricamentoauto•Batterie più efficienti
•Energia “senza fili”•Interazione con ambiente
•……
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28
Esempio: “energy harvesting” per nodo sensoriale remoto
Energy harvestingASIC
SensorPower management
RF Module
Antenna
µ solar cell µ thermoelectric generator
Energy storageBatterie a film sottile: -spessore circa 200 um- alta affidabilità-Ricaricabile (con energia solare,
termica, vibrazioni, etc.)
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29
Fabricazione di dispositivi elettronici e fotonicisu substrati plastici
PEN bonded on carrier Devices on PEN after debonding
Processing
Tape laminationProtective pellicle
cutting and removing Carrier Plastic lamination Plastic cutting
Showing the concept: lamination/delamination of plastic foils on rigid substratesand “standard” clean room processing
Batch approach
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30
Processi roll to roll
PEN thickness = 200µm
Roll width = 230mm
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31
Celle solari a-Si:H su fogli flessibili
10-3
10-2
10-1
100
101
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Sun
Effi
cien
cy (%
)
DATAModel
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• ENEL, SHARP ed ST realizzeranno a Catania una fabbrica di pannelli a film sottile tripla giunzione
• La ST Microelectronics ha a Catania una forte attività di R&D con competenze su dispositivi di potenza, dispositivi analogici, nuovimateriali e tecniche di deposizione, energia, fotovoltaico.
• ENEL é presente con un Centro di Eccellenza sulla Energia Solarespecializzato in caratterizzazioni outdoor and indoor (Affidabilità, resistenza ad agenti atmosferici, etc.) su celle e moduli fotovoltaici
• Sono presenti forti competenze in ambito universitario e nei laboratoridi ricerca pubblici
• Questo polo è collegato alle migliori realtà nazionali ed internazionali
Il polo fotovoltaico di Catania
“Nomen-omen”: l’area in cui sorge questo polo si chiama PRIMOSOLE