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CREAZIONE E SPERIMENTAZIONE CONGIUNTA DI MODELLI PER L'OTTIMIZZAZIONE DELL'UTILIZZO DI ENERGIA FOTOVOLTAICA

 


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COME VIENE PRODOTTA UNA CELLA SOLARE?


Il silicio si trova nell'ambiente terrestre in forma di ossido e in particolare sotto forma di SiO2 (silice). Un primo processo necessario per renderlo “libero” dall’ossigeno è quello della carboriduzione che consente di ottenere il cosiddetto silicio di grado metallurgico con purezze molto basse.
Esistono alcuni processi che, dapprima mediante la trasformazione del silicio in Silani o Triclorosilani e poi la deposizione CVD di tali gas, producono silicio di elevata purezza (il polysilicon). 

Il polysilicon viene fuso e fatto solidificare in forme e quantità diverse per creare i lingotti di silicio aventi una struttura mono o multi-cristallino dai quali si ricavano i wafer, elemento base per la costruzione di celle basate su silicio cristallino. 

Le celle al silicio dominano attualmente il mercato del fotovoltaico. Si stima che circa il 90% dei moduli prodotti in tutto il mondo siano basati sulla tecnologia del silicio. Questa tendenza si manifesterà almeno per i prossimi 10 – 15 anni. La proporzione tra mono e multi è praticamente al 50% con una tendenza del mono a superare nei prossimi anni il multi.

Ad uno sguardo veloce, i moduli fotovoltaici potrebbero sembrare prodotti estremamente semplici, composti da pannelli di vetro, un materiale con effetto foto-elettrico e delle connessioni elettriche. Per arrivare al prodotto finito però sono necessari processi estremamente complicati che spesso necessitano di grandi quantità di energia.

La produzione di un modulo a silicio cristallino, sia esso con struttura mono o poli cristallina, inizia dalla raffinazione del materiale grezzo e termina con la fase di assemblaggio. Il processo richiede notevoli quantità di energia, grandi competenze, conoscenze, tecnologie e laddove possibile può essere automatizzato industrialmente.
Si parte dal silicio, un elemento estremamente abbondante in natura (il 27% della crosta terrestre è composta da silicio) ma disponibile in una forma non compatibile con le applicazioni fotovoltaiche: è necessario un processo di raffinazione piuttosto energivoro. La raffinazione parte dai minerali di silicio e fino ai primi anni del 2000 industria del fotovoltaico e industria dei micro-processori condividevano la stessa filiera.
Il primo processo per purificare il silicio consiste nella carboriduzione della silice, solitamente in forni ad arco elettrico, fino ad ottenere silicio cosiddetto metallurgico con una purezza tra il 98% e 99.5%.
Questo silicio non può ancora essere utilizzato per la produzione di celle fotovoltaiche e necessita di un ulteriore processo di purificazione. Il processo attualmente più utilizzato nell’industria fotovoltaica è il processo Siemens, un’operazione che richiede grandi quantità di energia e che porta alla produzione del polysilicon.

La produzione del silicio di grado elettronico passa attraverso 4 fasi distinte: 
•preparazione/sintesi di idruri volatili di silicio
•purificazione di tali composti
•decomposizione di silicio elementare
•riciclo dei prodotti di scarto 

A questo punto, il polysilicon necessita di essere ulteriormente lavorato al fine di ottenerne una struttura cristallina adatta ad un utilizzo fotovoltaico. A seconda che si desideri ottenere una struttura mono o policristallino i processi che si utilizzano si chiamano: Czochralski (CZ) e Floating Zone (FZ) per il mono-cristallino e solidificazione direzionale per la struttura policristallina.

A causa del processo di solidificazione i lingotti con struttura monocristallina hanno una sezione circolare, una forma non compatibile con l’utilizzo in celle solari; analogamente il silicio con struttura policristallina solidifica con forma e dimensione non adeguate per il suo diretto utilizzo: in entrambi i casi la filiera di produzione di una cella solare prosegue tagliando i lingotti in “fogli” chiamati wafer, i quali rappresentano il punto di partenza per l’assemblaggio finale della cella solare.
 La produzione dei wafer avviene solitamente a mezzo di fili di acciaio diamantati. Inizialmente il processo avveniva con fili a bagno mentre ultimamente si sono affermati i processi di taglio a secco.
 
Dopo la produzione del wafer, il materiale per la cella solare non è ancora pronto, sono necessarie altre operazioni di trattamento superficiale che permettano al materiale semiconduttore di avere un buon effetto fotoelettrico.

A questo punto la cella solare è pronta per essere utilizzata nella fabbricazione dei moduli fotovoltaici: esse necessitano di essere connesse con altre celle solari per incrementare la tensione prima di alimentare un carico o prima della conversione in corrente alternata. La cella inoltre necessita di essere protetta dagli elementi atmosferici quali umidità, polveri, pioggia, etc. 
Le celle solari quindi vengono montate in moduli i quali rappresentano per il mercato energetico il prodotto commercialmente più conosciuto a cui solitamente viene richiesto di produrre energia per più di 20 anni.

Le celle solari vengono posizionate in una struttura solitamente di alluminio, con un vetro superiore, con i contatti posteriori; è necessario che vi sia un materiale che deve fare da collante tra i vari strati, solitamente viene utilizzato dell’EVA (acetato vinil-etilenico). Il modulo fotovoltaico dopo esser stato assemblato prosegue lungo un processo di laminazione nella quale viene riscaldato a una temperatura di 135° - 150° C per circa 30 minuti. Durante questo processo l’EVA fonde e un meccanismo di forte adesione polimerica prende luogo tra i vari strati del modulo, eliminando inoltre l’aria presente tra gli strati.


 


 

 
 
 
 

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