PON «R&I» 2014-2020

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PON «R&I»  2014-2020: Progetti di Ricerca Industriale e Sviluppo Sperimentale nelle 12 aree di Specializzazione individuate dal PNR 2015-2020.

Tecnologia per Celle Solari Bifacciali ad alta efficienza a 4 terminali per “utility scale” (BEST-4U)

Il fotovoltaico da impianti utility scale è già alla grid parity in molti paesi nel mondo e ciò sta creando numerose opportunità di crescita industriale. Tuttavia, l'industria fotovoltaica europea è stata seriamente danneggiata dalla concorrenza internazionale, soprattutto cinese. L'Europa, attraverso il suo programma H2020 e altri, sta cercando soluzioni per recuperare questo settore strategico. Prova ne è ad esempio, il recente progetto H2020 AMPERE, guidato dalla 3SUN, per lo studio di linee automatizzate per celle solari bifacciali di silicio ad alta efficienza. Queste promettono alte efficienze, bassi costi, ed elevate produttività in termini di kWh per kWp istallato. Il presente progetto si pone come obbiettivo la ricerca industriale finalizzata a trovare soluzioni per incrementare l’efficienza dei moduli fotovoltaici oltre il 25%, e migliorare la bifaccialità, perché questo riduce il BOS significativamente e riduce lo LCOE. Per ottenere tale miglioramento di efficienza e produttività si propone il concetto di modulo fotovoltaico a 4 terminali. Le celle e i moduli 4T possono essere considerati come una alternativa alle celle fotovoltaiche tandem con alcuni significativi vantaggi. La cella convenzionale tandem monolitica connessa in serie infatti ha la limitazione del matching di parametro reticolare e di corrente delle 2 celle in serie. Al contrario, la struttura a 4 terminali non risente di tali limitazioni e ciò aggiunge notevoli gradi di libertà. La presente proposta si pone dunque come obbiettivo la realizzazione di una cella / modulo a 4 terminali in cui la bottom cell è una cella di Si a eterogiunzione di tipo bifacciale e la top cell è una cella a semiconduttore wide band gap. La bottom cell bifacciale raccoglie e trasforma in energia elettrica dal fronte la luce solare rossa e infrarossa incidente attraverso la cella top, e dal retro la luce di albedo riflessa / diffusa dal terreno. La top cell raccoglie e trasforma la porzione blu dello spettro solare incidente. L’obbiettivo è un’efficienza in condizioni standard maggiore del 25%. Per questo scopo verranno studiati parallelamente e messi a confronto alcuni approcci, e si definiranno i più promettenti. Si realizzerà inoltre un dimostratore di campo fotovoltaico bifacciale ottimizzato per lo sfruttamento dell’albedo del terreno con una produttività in kWh / kWp maggiore del 20% rispetto al sistema monofacciale. 

La generazione di elettricità da fotovoltaico riveste ancora un ruolo limitato se confrontato alla generazione globale di energia elettrica, ad esempio nel 2013 il fotovoltaico ha prodotto meno dello 0.4% dell’elettricità totale. Il settore fotovoltaico è comunque cresciuto enormemente negli ultimi anni spinto dal progresso tecnologico, dall’economia di scala e dai sussidi governativi. Alla fine del 2016 la capacità globale del fotovoltaico ha raggiunto i 300GW, circa 30 volte più alta rispetto al 2007, con la maggior parte della capacità istallata in Europa, Asia, America. Molti osservatori si aspettano una crescita continua di capacità indotta da una serie di fattori, come le politiche legate alla riduzione del riscaldamento globale del pianeta, sicurezza di fornitura, politiche industriali e d’indipendenza energetica. Inoltre, dal punto di vista puramente del costo, in alcune nazioni, fra cui l’Italia, il fotovoltaico ha già raggiunto la cosiddetta grid parity e questo ci si attende succederà nella gran parte dei mercati elettrici nei prossimi pochi anni. Anche l’andamento del mercato FV mondiale appare favorevole, con un volume di mercato di molte decine di miliardi di $ /anno. In questi anni siamo anche entrati nella fase dell’utilizzo massivo dei campi fotovoltaici di grandi dimensioni. Nella prima decade del 2000 molti campi con potenza superiore ai 20MW sono stati installati in Europa sotto la spinta iniziale degli incentivi economici. Negli anni seguenti il mercato si è esteso anche in altre regioni come gli Stati Uniti e la Cina, e ora anche in Sud Africa e in Sud America. Gli impianti FV di diverse centinaia di MW hanno già raggiunto uno stadio di fattibilità tecnica e commerciale. E’ ragionevole attendersi che impianti sulla scala dei GW saranno sul mercato nel prossimo futuro. Questi possono essere realizzati e condotti con condizioni vantaggiose che permettono di ridurre i costi in relazione a diversi fattori come la connessione alla rete e la capacità delle linee di trasmissione, la gestione e manutenzione, ecc. Gli impianti di grandi dimensioni potrebbero dunque diventare una delle principali fonti energetiche del futuro. Si stima infatti che il valore dello LCOE per condizioni favorevoli di investimento potrebbe arrivare al livello estremamente competitivo di 0.05$/kWh. A questo si aggiunga che questo tipo di impianti riduce notevolmente l’emissione di CO2 aumentando significativamente il grado di sostenibilità della fonte energetica. Riguardo alle tecnologie fotovoltaiche, la più diffusa è quella basata su celle di silicio cristallino e multi-cristallino, con circa il 90% di market share. Le caratteristiche principali di questa tecnologia sono l’elevata efficienza di conversione che va dal 15% al 18%, che corrisponde a un livello di prestazione in media più elevato fra tutte le tecnologie in commercio. La prospettiva di sviluppo di questa tecnologia consiste nel possibile miglioramento dei costi (€/Wp) per aumento dell’efficienza, miglioramento del materiale base (mono-Si o c-Si) e nell’assemblaggio dei moduli (l’efficienza potrebbe raggiungere il 24% nel medio periodo nel caso del silicio mono-cristallino). Rispetto alle celle solari di silicio cristallino la tecnologia a film sottile ha una quota di mercato di circa il 10%. Essa è rappresentata da tre principali tecnologie che sono i moduli di silicio a film sottile (celle tandem di silicio amorfo idrogenato e microcristallino idrogenato), i moduli al tellururo di cadmio (CdTe) e i moduli in tecnologia CuIn(Ga)Se2 detti CIS-CIGS. Queste tecnologie sono caratterizzate dal fatto che sono realizzate attraverso la deposizione di un sottile strato (pochi micron) di materiale su substrati di grande area e di basso costo come vetro, metallo o plastica. Rispetto al silicio cristallino, le tecnologie a film sottile però presentano efficienze significativamente minori. CdTe e CIS/CIGS presentano inoltre problemi addizionali: il CdTe ha il problema dello smaltimento del Cadmio, una sostanza ad alto grado di tossicità; mentre per la fabbricazione di celle CIGS è necessario usare materiali rari e di costo elevato come l’Indio. L'insieme di questi fattori spiega dunque i risultati delle analisi del mercato che mostrano che la tecnologia che presenta il miglior trend di crescita è quella del c-Si seguita da quella del CdTe per cui però si prevede un leggero rallentamento nel trend di riduzione dei costi nei prossimi anni. Inoltre, negli ultimi tempi si sta sempre più affermando il concetto di cella solare “bifacciale” che permette di catturare anche con la faccia posteriore la luce riflessa o diffusa dal terreno, soprattutto in presenza di terreni rivestiti o verniciati con materiali di colore bianco o comunque riflettente. La possibilità di sviluppare tecnologie per l’utilizzo di moduli bifacciali è molto promettente per il mercato fotovoltaico dei prossimi anni in quanto potrebbe ridurre significativamente il costo dell’energia (LCOE) degli impianti solari. In base alle considerazioni qui espresse si può vedere come per poter continuare ad avere una posizione di leadership è necessario competere con tecnologie come quella del c-Si, specialmente con l’esplorazione della possibilità di sviluppare moduli bifacciali che permettano una maggiore producibilità energetica grazie al recupero di parte della luce diffusa o riflessa dal terreno. L'ulteriore innovazione che si propone per il miglioramento di efficienza e produttività dei moduli FV è l'utilizzo del concetto di modulo fotovoltaico a 4 terminali, in cui si accoppiano otticamente ed elettricamente due moduli distinti, uno sopra l'altro. Il modulo frontale raccoglie la parte blu dello spettro solare, mentre il secondo modulo sul retro raccoglie la parte rossa e infrarossa dello spettro incidente. Quest'ultimo modulo inoltre è bifacciale, in modo tale che possa raccogliere e trasformare in energia elettrica anche la radiazione di albedo diffusa dal terreno.

Le” Innovation Challenge Calls” sono state istituite a livello mondiale grazie ad una piena collaborazione tra gli Stati membri dell’organizzazione “Mission Innovation”, che ha come scopo primario il finanziamento di progetti innovativi nell’ambito delle energie pulite. In essa confluiscono tutte le nazione del Nord America insieme a USA, Brasile e Cile, l’Unione Europea, in particolare Italia, Germania e Francia, L’Arabia Saudita, l’India,la Cina, l’Australia etc. Le” Innovation Challenges” mirano ad accelerare la ricerca, lo sviluppo e la dimostrazione (RD&R) nei settori tecnologici per cui gli stati membri ritengono che una visibilità internazionale possa produrre un impatto significativo nella battaglia comune contro i cambiamenti climatici. Le “Innovation Challenges” ricoprono tutto lo spettro delle RD&R, dalla ricerca base fino ai progetti tecnologici dimostrativi. Le “Innovation Challenges “sono sette e sono fortemente legate alle tematiche di BEST4U, e pertanto alla ricerca sul fotovoltaico avanzato. A livello europeo la presente proposta è perfettamente in linea con molteplici programmi di ricerca. Nel progetto H2H0 ad esempio, è presente una linea specifica,la “Energia Sicura, Pulita, ed Efficiente”; insieme ad essa è possibile ritrovare un vasta proposta di programmi a supporto dell’area “Energia”, per fare degli esempi basti pensare a “Tecnologie future ed emergenti”, “Nanotecnologie, materiali avanzati, processi di fabbricazione avanzati, biotecnologie”, ”Azioni climatiche, ambiente, efficienza di risorse e materie prime”. Il progetto “Energia Sicura, Pulita, ed Efficiente” prevede numerosi interventi che mirano ad obiettivi affini a quelli del BEST4U. Si veda come esempio la sezione LCE-06-2017, “Nuove conoscenze e tecnologie” che investe ingenti risorse sulla industrializzazione delle tecnologie per la conversione energetica sviluppate in laboratorio, al fine di accertarne il potenziale valore nei sistemi energetici futuri. Lo scopo è lo sviluppo di nuove tecnologie rinnovabili su cui fondare i sistemi energetici dal 2030 al 2050. La tematica “Photovoltaics: Developing next-generation increased efficiency high-performance crystalline silicon c-Si PV cells and modules” si proponeva, per il 2016, di sviluppare celle e moduli in silicio cristallino ad alta funzionalità basati sulle nuove architetture, e/o di processi che riuscissero a supplire alle limitazioni dell’efficienza con un abbassamento dei costi di realizzazione. Nel 2017, uno degli obiettivi tecnologici riguarda sicuramente ancora il fotovoltaico, con particolare attenzione allo sviluppo di celle fotovoltaiche avanzate con perovskiti ad alogenuro di Piombo, con maggiori efficienze e alte prestazioni. Si mira altresì alla realizzazione di dispositivi dimostrativi di adeguata stabilità e con efficienza del 21%, nonché all’ottimizzazione dei relativi processi di fabbricazione. La Commissione Europea ha altresì finanziato numerosi progetti sulle prestazioni delle celle solari ad eterogiunzione in silicio. Uno di essi, tra i più recenti, è il progetto AMPERE, "Automated photovoltaic cell and Module industrial Production to regain and secure European Renewable Energy market", coordinato dala 3SUN. Tra i meno recenti rientrano invece quelli appartenenti al programma FP7. L’ HETSI (FP7-2008-2011), ad esempio, aveva lo scopo di sviluppare una tecnologia affidabile for celle e moduli ad eterogiunzione (HJT). A seguire l’HERCULES (FP7-2013-2016), sull’industrializzazione e la realizzazione di dimostratori per celle HJT con conseguente sviluppo di una linea pilota. HERCULES ha anche consentito la formazione di un importante consorzio sulle HJT e la nascita di una piattaforma tecnologica per la realizzazione di celle e moduli a partecipazione comunitaria europea (con sede presso la Meyer Burger AG, in Svizzera). Infine il progetto CHEETAH (2014-2017), sulla integrazione di wafer sottili per celle e moduli ad eterogiunzione presso la piattaforma tecnologica CEA-INES in Francia. Tutti i programmi europei elencati sono incentrati sulla stessa attività di ricerca proposta nel presente progetto BEST4U, che ha lo scopo di sviluppare celle bifacciali e moduli a quattro terminali ad alte prestazioni, costituiti da celle solari HJT ad alta efficienza, integrate con moduli superiori realizzati con materiali semiconduttori a larga banda proibita. Per il modulo superiore inoltre, l’approccio più importante seguito dal consorzio BEST4U consiste nell’implemento di celle in perovskiti ad alogenuro di piombo, realizzate per operare adeguatamente nella configurazione a quattro terminali, in linea con il programma europeo per l’anno in corso. A livello nazionale, le tematiche di ricerca ivi proposte trovano un forte riscontro in progetti gestiti dal Ministero per lo Sviluppo Economico Italiano (MISE) e dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR), che hanno sicuramente fornito un importante background di conoscenze al Progetto BEST4U. Innanzitutto il MISE ha finanziato il progetto “SVILUPPO DI TECNOLOGIE FOTOVOLTAICHE IBRIDE”, gestito da 3SUN, in linea con il decreto MISE del 15/10/2014 per l’ Industria Sostenibile punto E5 sulle Energie Rinnovabili, per lo sviluppo di moduli fotovoltaici ibridi ad eterostrutture in Silicio amorfo/Silicio cristallino, con funzionamento bifacciale (i. e. catturano la radiazione solare incidente su entrambi i lati per illuminazione diretta e per albedo dal suolo), insieme alla realizzazione di una linea pilota per la produzione di tali moduli. Inoltre il MIUR insieme ad altre regioni italiane quali Puglia, Basilicata, Sicilia, Campania etc hanno finanziato ai partner coinvolti in questo progetto, CNR, UNICT, DTS un cospicuo numero di progetti di ricerca che hanno contribuito a creare un background di conoscenze utile al raggiungimento degli obiettivi del BEST4U. Buona parte di tali progetti sono stati finanziati dal Programma per la Ricerca e la Competitività PON del MIUR.

Il primo obiettivo del Progetto BEST4U è realizzare una cella a 4 terminali in cui la cella inferiore è di silicio cristallino a eterogiunzione e la cella superiore è o di un semiconduttore III-V o un calcogenuro, o una perovskite basata su alogenuri di piombo e metile (o simile), o una DSSC. La cella a 4 terminali opererà anche in modo bifacciale, con un’efficienza in condizioni standard (cioè illuminazione dal solo fronte con spettro AM1.5G di intensità incidente di 1000 W/m2) maggiore del 25%. La dimensione dell'area della cella dovrà essere almeno tra 0.25 e 1 cm2. Quando opera in modo bifacciale la cella, raccogliendo la luce di albedo dovrà avere una produttività in Wh/Wp aumentata di almeno il 20% quando istallata su suolo bianco. Il secondo obbiettivo del Progetto BEST4U è realizzare un modulo a 4 terminali in cui il modulo inferiore è di silicio cristallino a eterogiunzione e il modulo superiore è di celle solari o di perovskite basata su alogenuri di piombo / metile o simili, o di DSSC. Questo opera anche in modo bifacciale, con un’efficienza in condizioni standard (cioè illuminazione dal solo fronte con spettro AM1.5G di intensità incidente di 1000 W/m2) maggiore del 20%. La dimensione dell'area dei moduli impilati meccanicamente dovrà essere almeno tra 100 e 900 cm2. Anche in questo caso, quando il modulo opera in modo bifacciale, dovrà avere una produttività in Wh/Wp aumentata di almeno il 20% quando istallato su suolo bianco. Il terzo obbiettivo del Progetto BEST4U è realizzare un dimostratore di campo fotovoltaico bifacciale di dimensione tra i 2 e i 10 kWp (con moduli fotovoltaici non a 4 terminali ma solo in silicio cristallino bifacciale) ottimizzato per lo sfruttamento dell’albedo del terreno con materiali per trattamenti superficiali (pigmenti, materiali di origine naturale tipo rocce o sabbie, coatings, vernici, selettività verso riflessioni rispetto alle lunghezze d’onda che massimizzino le performance del pannello bifacciale) caratterizzati da albedo ottimale. L'orientazione / geometria di installazione del campo fotovoltaico saranno ottimizzate in termini di direzionalità di riflessione, per la massimizzazione della radiazione solare riflessa verso il pannello. L'ottimizzazione potrà includere sistemi a riflessione a basso costo da integrare nel pannello o da deporre a terra per aumentare la radiazione incidente sul retro dei moduli bifacciali. Il sistema dovrà produrre energia elettrica con un Levelized Cost of Energy (LCOE) stimato minore o uguale a 0.1 Euro/kWh. Le prestazioni energetiche del campo bifacciale saranno confrontate con tecnologie standard monofacciali. Il quarto obbiettivo del Progetto BEST4U è un modello predittivo per la valutazione dello LCOE dell'energia prodotta da un campo bifacciale in condizioni di funzionamento validato con dati sperimentali di produzione di energia da campo bifacciale.