I rivestimenti ceramici fotovoltaici
nelle costruzioni
G. TIMELLINI
Centro Ceramico – Bologna
Università di Bologna – Facoltà di Ingegneria
Dip. Chimica Applicata e Scienza dei Materiali
Sede Centrale - Bologna
Via Martelli, 26 - 40138 Bologna
Tel. (051)534015 - Fax (051)530085
Sede di Sassuolo
Via Valle d’Aosta, 1 - 41049 Sassuolo MO
Tel. (0536)802154
E-mail: [email protected]
Internet: www.cencerbo.it
Il Centro Ceramico è gestito da un Consorzio Universitario formato da:
ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITÀ DI BOLOGNA
UNIONCAMERE
Unione Regionale delle Camere di Commercio Emilia Romagna
CONFINDUSTRIA CERAMICA
Associazione Nazionale dei produttori di
piastrelle di ceramica, materiali refrattari, sanitari, stoviglierie e ceramica per usi industriali
ANDIL
Associazione Nazionale degli Industriali dei Laterizi
A.N.C.P.L.
Associazione Nazionale Cooperative Produzione e Lavoro dell'Emilia Romagna
CNA
Confederazione Nazionale dell'Artigianato
AGENZIA POLO CERAMICO
Soc. Cons. a r.l.
Consorzio Universitario costituito il
5 Maggio 1976
Riconoscimento della personalità giuridica
del Consorzio Uni­ver­sitario:
DPR 10/4/1978, n. 806
Direttore: GIORGIO TIMELLINI
Professore di Scienza e Tecnologia dei Materiali
Università di Bologna – Facoltà di Ingegneria (Dip. Chimica Applicata e Scienza dei Materiali)
Il Centro Ceramico nella Rete Alta Tecnologia dell’Emilia-Romagna
LABORATORIO CENTRO CERAMICO
Laboratorio di Ricerca Industriale della
RETE ALTA TECNOLOGIA DELL’EMILIA ROMAGNA
Area tematica:
EDILIZIA E MATERIALI PER LE COSTRUZIONI
Il Centro Ceramico è partner del Laboratorio di Ricerca Industriale
Area tematica:
AMBIENTE, SVILUPPO SOSTENIBILE ED ENERGIA
Parole-chiave:
Æ Piastrelle di ceramica - Prodotti da costruzione
Æ Costruzioni
Æ Nuove funzionalità – piastrelle fotovoltaiche
Æ Sostenibilità e sviluppo sostenibile
SOMMARIO
1. Base di partenza e contesto
Æ Piastrelle di ceramica e piastrellature nelle costruzioni
Æ Sviluppo sostenibile nelle costruzioni
Æ Ricerca e innovazione: verso nuove funzionalità delle piastrelle
2. Il Progetto “Piastrelle fotovoltaiche” del Centro Ceramico – Bologna
Æ Dati identificativi
Æ Effetto fotovoltaico
Æ Obiettivi
Æ Riporto fotovoltaico
Æ Contatti elettrici
Æ Collegamenti elettrici
Æ Strato protettivo
Æ Caratterizzazione
Æ Risultati e prestazioni
Æ Attività in corso e sviluppi futuri
Æ Impatti e ricadute
3. Conclusioni
1. Base di partenza e contesto
Æ Piastrelle di ceramica e piastrellature nelle costruzioni
Æ Sviluppo sostenibile nelle costruzioni
Æ Ricerca e innovazione: verso nuove funzionalità delle
piastrelle
Piastrelle di ceramica
DEFINIZIONE
La piastrella di ceramica è una
Lastra
di materiale ceramico
utilizzata come
rivestimento di pavimenti e pareti
(piastrella = modulo)
LASTRA:
h = 6 (3)-20 mm
a, b = 5-120-300 cm
Piastrelle di ceramica
DEFINIZIONE
La piastrella di ceramica è una
Lastra
di materiale ceramico
utilizzata come
rivestimento di pavimenti e pareti
La piastrella di ceramica ha due funzioni fondamentali:
Æ “materiale da costruzione”: impartire a pavimenti/pareti superiori caratteristiche
e prestazioni tecniche (resistenza e durabilità alle sollecitazioni di esercizio)
Æ materiale di “finitura/arredo”: impartire a pavimenti/pareti le desiderate qualità
estetiche ed architettoniche
Piastrelle di ceramica
L’industria Italiana delle piastrelle di ceramica:
Æ Produzione anno 2008: 512,5 milioni di m2
Æ Addetti: 26.364
Æ Export: 355,14 milioni di m2 (70%)
Æ Leadership qualità produttiva e design
Æ Leadership tecnologica ed impiantistica
Piastrelle di ceramica
PIASTRELLA:
Lastra
di materiale ceramico
utilizzata come
rivestimento di pavimenti e pareti
CERAMICA:
Prodotti ottenuti a partire da
materie prime naturali
(argille, feldspati, sabbie, etc.),
formati a temperatura ambiente
e cotti a temperature superiori a 1000 °C
Piastrelle di ceramica
PIASTRELLA:
Lastra
di materiale ceramico
utilizzata come
rivestimento di pavimenti e pareti
CERAMICA:
Un materiale RESISTENTE e DURO,
FRAGILE,
RIGIDO,
INERTE*
*proprietà INTRINSECHE dei materiali ceramici
Catalogabili in funzione di:
Piastrelle di ceramica
Æ Porosità del supporto
Supporto poroso
Supporto greificato
Assorbimento d’Acqua [%] = misura della “porosità aperta”.
Catalogabili in funzione di:
Piastrelle di ceramica
Æ Stato / composizione / trattamento della superficie
NON SMALTATA
SMALTATA
Smalto:
Rivestimento vetroso
della superficie di esercizio,
applicato per migliorare
sia l’aspetto estetico
sia le caratteristiche
funzionali/prestazionali
delle piastrelle
LEVIGATA
NON LEVIGATA
Piastrelle di ceramica
Catalogabili in funzione di:
Æ Caratteristiche della superficie
Æ colore
Æ decorazione
Æ tessitura
Æ rugosità (liscia/rugosa/con rilievi)
Æ lucentezza (lucida/matt)
Piastrelle di ceramica
CEN - TC 67 “Ceramic Tiles”
Piastrelle di
Adesivi
ceramica
Norme di base EN 14411
EN 12004
(Classificazione,
definitioni,
specifiche
tecniche)
Materiali per Piastrellature
fughe
EN 13888
CEN/TR
13548
Regole
generali per la
progettazione
e l’esecuzione
delle
piastrellature
ceramiche
Norme di
supporto
EN ISO
10545
(Metodi
di prova)
dalla Parte 1
alla Parte 16
EN 1308
EN 1323
EN1324
EN 1346
EN 1347
EN 1348
EN 12002
EN 12003
EN 12808
dalla Parte 1
alla Parte 5
EN 12002
Piastrelle di ceramica
La Norma EN 14411 sulle piastrelle di ceramica
contiene:
Æ Classificazione delle piastrelle di ceramica
Æ Proprietà
Æ Metodi di prova
Æ Requisiti di accettazione
La norma EN 14411 contiene anche i
Requisiti addizionali ai fini
dell’apposizione del marchio
Piastrelle di ceramica
Classificazione delle piastrelle di ceramica (EN 14411)
Metodo di
formatura
A
Assorbimento d’Acqua, AA (%)
3<AA<6%
AA < 3%
ESTRUSIONE
AIa
AIb
AA < 0,5%
0,5 < AA < 3%
B
BIa
BIb
AA < 0,5 %
0,5 < AA < 3%
PRESSATURA
6<AA<10% AA>10%
AIIa
AIIb
AIII
BIIa
BIIb
BIII
Assorbimento d’Acqua [%] = misura della “porosità aperta”.
Classificazione tecnologico-commerciale italiana:
Maiolica e cottoforte (bicottura), monocottura, monoporosa,
GRES PORCELLANATO, COTTO, CLINKER
Piastrelle di ceramica
Grès porcellanato
Æ piastrelle smaltate o
non smaltate
Æ in monocottura
Æ formate per pressatura
Æ AA < 0,5%
Æ con superficie tal quale
o levigata
Æ per pavimenti e
rivestimenti interni ed
esterni
Piastrelle di ceramica
Cotto
Æ piastrelle non smaltate
Æ formate per estrusione
Æ per pavimenti e
rivestimenti interni ed
esterni
Piastrelle di ceramica
Clinker
Æ piastrelle smaltate o
non smaltate
Æ in monocottura
Æ formate per estrusione
Æ per pavimenti e
rivestimenti interni ed
esterni
Piastrelle di ceramica
Piastrellature di ceramica
Piastrellatura
ceramica
PIASTRELLE
Piastrelle ceramiche posate,
unitamente ad allettamento e
fughe
Allettamento (adesivi e materiali per fughe)
Sottofondo
Piastrellature di ceramica
Facciata o parete ventilata con paramento ceramico
1. Parete portante esterna dell’edificio
2. Strato di isolamento termico
3. Sistema di fissaggio: ganci, perni o staffe
4. Sistema di ancoraggio: montanti verticali
5. Piastrelle ceramiche
Piastrellature di ceramica: parete ventilata
Riduzione
del carico termico
sull’edificio
in estate
Piastrellature di ceramica: parete ventilata
Influenza della
parete ventilata,
con adeguato spessore
dell’isolamento termico
sulle temperature
interne dell’edificio
nelle stagioni estreme
Piastrellature di ceramica: parete ventilata
Agganci in vista, montanti verticali a T,
staffe di ancoraggio a L
Agganci in vista, montanti verticali
a omega, gole per guarnizioni, staffe
di ancoraggio a C
Piastrellature di ceramica: parete ventilata
Agganci nascosti, montanti verticali a T,
correnti orizzontali a pseudo C, staffe di
ancoraggio a L
Agganci nascosti,
con lastre fresate sul retro
Piastrellature di ceramica: parete ventilata
Piastrellature di ceramica: parete ventilata
Piastrellature di ceramica: parete ventilata
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni
Edilizia sostenibile
Sostenibilità
Æ Ambientale
Æ Economica
Æ Salute & Comfort
Æ Un obiettivo volontario fin dagli anni ’70
Æ Un Requisito fondamentale delle costruzioni
secondo la nuova Construction Product Regulation (CPR)
[in discussione, per sostituire la Construction Products
Directive (89/106 EEC)]
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni
CPR
Regulation
of the European Parliament and of the Council
laying down harmonised conditions for the marketing of the
Construction Products
Objectives:
Æ to ensure free circulation and use of Construction Products in the internal
market
Æ to lay down rules on how to express the performance of Construction
Products in relation to their essential characteristics, and on the use of CE
marking of those products.
Prodotti da costruzione ÅÆ Costruzioni
Articolo 3, CPR draft:
Le caratteristiche essenziali dei Prodotti da Costruzione sono
elencate in apposite Specifiche Tecniche armonizzate concernenti i
requisiti di base delle costruzioni
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni
Requisiti di base delle costruzioni secondo CPR draft:
Le costruzioni debbono essere concepite e costruite
in modo … da non esercitare un impatto
eccessivo, per tutto il loro CICLO DI
VITA, sulla qualità dell’ambiente o sul
clima, durante la loro costruzione, uso
e demolizione, ….
1. Resistenza meccanica e stabilità
2. Sicurezza in caso di incendio
3. Igiene, salute e ambiente
4. Sicurezza nell’impiego
5. Protezione contro il rumore
6. Risparmio energetico e ritenzione del calore
7. Uso sostenibile delle risorse naturali
Le costruzioni debbono essere concepite, costruite
e demolite in modo che … l’uso delle risorse
naturali sia sostenibile e garantisca:
Æ Riciclabilità
Æ Durata
Æ Uso di materie
ecologicamente compatibili
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni
Applicazione della CPR:
dalla CE al CEN (Comitato Europeo di Normalizzazione)
Æ Metodologie armonizzate per la valutazione delle prestazioni
ambientali, dei costi e degli aspetti di comfort indoor delle Costruzioni
e dei Prodotti da costruzione
Æ Basate su Life Cycle Assessment
Æ Un compito per
CEN/TC 350 – Sustainability of Construction Works
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni
Applicazione della CPR
Æ Art. 3: Le caratteristiche essenziali dei Prodotti da Costruzione
sono elencate in apposite Specifiche Tecniche armonizzate
concernenti i requisiti di base delle costruzioni
Æ Per le piastrelle di ceramica per pavimento e parete,
Un compito per
CEN/TC 67 – Ceramic Tiles
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni
Le piastrelle di ceramica
Æ Oggetto di studio e significativo miglioramento su scala LCA
Æ Posizione avanzata verso la SOSTENIBILITA’
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni:
le piastrelle di ceramica
Æ Intrinsecamente dure e resistenti (fragili)
Æ Chimicamente e fisicamente inerti, e resistenti all’acqua, ai prodotti
chimici, al fuoco
in condizioni di esercizio:
Æ Elevata durabilità
Æ NO rilascio di sostanze tossiche
Æ NO reazione al fuoco
Æ Pulibilità e Igiene
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni:
le piastrelle di ceramica
Æ Intrinsecamente dure e resistenti (fragili)
Æ Chimicamente e fisicamente inerti, e resistenti all’acqua, ai prodotti
chimici, al fuoco
Dopo demolizione:
Æ Materiali di risulta inerti, e
riutilizzabili in diverse applicazioni di
ingegneria civile
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni:
le piastrelle di ceramica
Impatto ambientale del processo di fabbricazione
Æ
Æ
Æ
Æ
Consumi energetici (emissioni di GHG)
Emissioni in atmosfera
Bilancio idrico: consumi e scarichi
Bilancio dei materiali: consumi e scarichi
Dati per l’industria Italiana delle piastrelle (Centro Ceramico)
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni:
le piastrelle di ceramica
Impatto ambientale del processo di fabbricazione
Æ Consumo specifico medio di energia termica ed elettrica [GJ/t]
1970
10
1980
12
1990
6
2000
5
2008
6
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni:
le piastrelle di ceramica
Emissioni in atmosfera
Æ Emissioni di fluoro dai forni di cottura [g/m2]
1970
Bicottura in forni a tunnel
Monocottura in forni a tunnel
9
Monocottura in forno monostrato
6
Grès porcellanato
Forno monostrato
Depurazione in linea con le BAT
2008
20
0,6
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni:
le piastrelle di ceramica
Bilancio idrico e dei materiali
1970
Æ Progresso del riciclo
Æ Verso il 100%: SCARICO ZERO =
● no impatti ambientali negativi
● no costi di trattamento
● ridotto consumo di materie prime e acqua
Æ Riutilizzo di scarti da altre produzioni
Æ Nuovi impasti contenenti scarti di origine esterna
2008
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni:
le piastrelle di ceramica
IL MARCHIO DI QUALITA’ ECOLOGICA
DELL’UNIONE EUROPEA
™minore consumo energetico dei
processi di produzione
™minori emissioni nell’aria e
nell’acqua
Attribuito a beni e servizi che soddisfano i
requisiti ambientali del sistema EU di marchio
di qualità ecologica
™miglioramento
dell’informazione al consumatore
e della gestione dei rifiuti
Licence registration number
*****************
Hard Floor Coverings
Criteri scelti e specificati sulla base di uno studio LCA
Sviluppo sostenibile nelle costruzioni:
le piastrelle di ceramica
Le piastrelle di ceramica possono contribuire al LEED Green Building
rating system nelle seguenti aree tematiche:
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
SS Sustainable Sites
EA Energy and Atmosphere
MR Materials and resources
EQ Indoor Environmental Quality
ID Innovation in Design
Leadership in
Energy and
Environmental
Design
Ricerca e Innovazione:
nuove funzionalità delle piastrelle
Per i Prodotti da Costruzione – piastrelle di ceramica
La SOSTENIBILITA’ è
Æ un obiettivo obbligatorio
Æ un fattore di competitività
Perseguito mediante:
Æ miglioramento dei prodotti/processi convenzionali
Æ innovazione FUNZIONALIZZAZIONE PRODOTTI TAGLIATI SU
MISURA PER LA SOSTENIBILITA’
R&D e Sostenibilità ÅÆ Prodotti da costruzione
Ricerca e Innovazione:
nuove funzionalità delle piastrelle
Progetti in corso al Centro Ceramico – Bologna con implicazioni
sulla sostenibilità:
Æ Piastrelle fotovoltaiche
Æ Piastrelle fotocatalitiche
Obiettivi e impostazione comune di questi progetti:
Funzionalizzazione superficiale
Æ Coating superficiali
Æ Applicati su piastrelle “convenzionali”
Æ Attraverso tecniche quanto più possibile integrabili con le
tecniche in uso nel settore
Applicazione ed integrazione in edilizia
Æ Facciate esterne/involucro dell’edificio
Æ Prestazioni e durabilità nelle condizioni di esercizio
Ricerca industriale
Partecipazione diretta dell’industria
2. Il Progetto “Piastrelle fotovoltaiche” del Centro
Ceramico – Bologna
Æ Dati identificativi
Æ Effetto fotovoltaico
Æ Obiettivi
Æ Riporto fotovoltaico
Æ Contatti elettrici
Æ Collegamenti elettrici
Æ Strato protettivo
Æ Caratterizzazione
Æ Risultati e prestazioni
Æ Attività in corso e sviluppi futuri
Æ Impatti e ricadute
Dati identificativi del Progetto
Tipo: Progetto co-finanziato nell’ambito del
Programma PRRIITT – Regione Emilia Romagna
Brevetto PCT/IT
N° Pubblicazione: WO2008120251 (A1)
Titolo: Piastrella ceramica con superficie
funzionalizzata con celle fotovoltaiche
Dati identificativi del Progetto
Collaborazioni
Industrie
Panaria Group
Centri di ricerca
Produttore di piastrelle ceramiche
CNR - IMM
SACMI
Ricerca nel campo del FV a base di Si-a
Produttore di impianti per la ceramica
CNR - ISMN
FERRO Italia
Ricerca nel campo di celle CIGS
Produttore di smalti ceramici
UNIBO - DICASM
Elettronica Santerno
Ricerca nel campo dei polimeri
Progettazione imp. per la raccolta di E EL.
Utrecht University
Pemco Euroinks
Ricerca nel campo del FV
Fornitore di paste serigrafiche conduttive
Effetto fotovoltaico
Processo di conversione dell’energia della radiazione solare in energia elettrica
I fotoni della radiazione solare incidente su una cella fotovoltaica
“liberano” elettroni dagli atomi di alcuni materiali (semiconduttori),
i quali possono allontanarsi lasciando una “lacuna” e dando origine,
in opportune condizioni, ad una corrente elettrica.
Effetto fotovoltaico
Energia solare
Ogni porzione dello spettro solare
è associato a differenti livelli di
energia
La quantità di energia solare che
raggiunge la superficie terrestre
dipende dalla latitudine, dall’ora del
giorno, dalle condizioni climatiche e
dalla qualità dell’aria
Obiettivi
“Coating”
“PV” Tile
Piastrella di
ceramica
Funzionalizzazione di piastrella di ceramica mediante applicazione
diretta di un coating fotovoltaico sulla superficie di esercizio:
Æ Usando tecniche di applicazione per quanto possibile integrabili
nel processo produttivo ceramico (fase: smaltatura)
Æ Senza significative rinunce nelle prestazioni tecniche ed
architettoniche delle piastrellature
Piastrella fotovoltaica = Modulo fotovoltaico
Costituzione della piastrella fotovoltaica
Strato protettivo
Front contact
Riporto fotovoltaico
Back contact
Connettore-Collegamenti elettrici
Piastrella di ceramica
Il progetto si è sviluppato in diverse fasi fra loro coordinate,
dedicate ai diversi strati e componenti della piastrella fotovoltaica
Obiettivi
Riporto fotovoltaico
La tecnologia del fotovoltaico si è sviluppata alla fine degli anni ‘50 con i primi
programmi spaziali per i quali occorreva una fonte di energia affidabile ed
inesauribile. I primi moduli fotovoltaici fanno la loro comparsa nel 1963. Da allora
sono stati fatti numerosi progressi volti, soprattutto, a ricercare soluzioni alternative
ed ottenere efficienze sempre maggiori. Sostanzialmente, le generazioni di sviluppo
delle celle fotovoltaiche sono tre.
IIGenerazione
Generazione
Tecnologia basata su wafer
di Silicio cristallino (mono
e policristallino)
IIIIGenerazione
Generazione
Tecnologia basata su film
sottile: Silicio amorfo, Si
micro e nanocristallino,
CdTe, CIS/CIGS ….
III
IIIGenerazione
Generazione
Celle DSSC (Dye Sensitised
Solar Cells), Organiche,
ecc…
Riporto fotovoltaico
Confronto tra alcune tecnologie
Materiale
Efficienza
Vantaggi
Svantaggi
Alta efficienza di conversione
Processo produttivo lungo e costoso.
moduli
Silicio monocristallino
15 - 18%
Stabilità. Tecnologia affidabile
Silicio policristallino
13 - 15%
Meno costose delle celle m-Si
Efficienza inferiore rispetto alle celle m-Si
Silicio amorfo
5 - 8%
Costi di fabbricazione contenuti.
Impiego di minor materiale. Buona
efficienza anche con illuminazioni più
basse o artificiali. Flessibile
Efficienza inferiore rispetto ai wafer di Si.
Degrado iniziale
Tellururo di cadmio (CdTe)
6 - 9%
Bassi costi di fabbricazione.
Tossicità (Cd)
Possibilità di produzione su larga scala
Seleniuro o solfuro di rame
e indio (CIS) e CIGS
(seleniuro o solfuro di Indio
gallio e rame)
7,5 - 9,5%
Buona stabilità. Resistenza al degrado
atmosferico.
Scarsa disponibilità delle materie prime.
Tossicità di alcuni componenti. Elevati costi
di produzione.
Arseniuro di gallio (GaAs)
22%
Resistenza ad elevate temperature ed
alle radiazioni solari.
Ga: raro; As: velenoso. Costi molto elevati
Celle DSSC (Dye-sensitised
solar cells)
11%
Bassi costi di processo
Degradazione dei coloranti impiegati, per
effetto del calore e dei raggi UV. Difficoltà di
sigillare tali celle
Celle Organiche
5% (Lab.)
Flessibilità dei materiali. Disponibilità.
Basse efficienze. Degradazione ai raggi UV.
Tempi di vita molto corti.
Lab.12-14%
Previsione di costi molto ridotti in futuro
Riporto fotovoltaico
Quale tecnologia FV utilizzare per realizzare la “piastrella fotovoltaica”?
Æ Realizzazione di thin film di Si-a (applicata)
Æ Realizzazione di layer a base di CIS e TiO2 (in fase di sperimentazione)
Riporto fotovoltaico
Celle solari Thin Film
La tecnica dei film sottili consiste nella deposizione sequenziale di
sottili strati di materiale. Tali dispositivi richiedono quantitativi molto
piccoli del materiale che si vuole depositare, e possono essere
utilizzati anche supporti con geometrie non regolari.
Silicio amorfo (gap: 1.7 eV)
Riporto fotovoltaico
Il Si amorfo ha un ordine a corto raggio, ed è caratterizzato da un alto
numero di difetti.
Viene depositato in maniera tale che
contenga H (5-10%), che si combina con i
legami incompleti rimuovendoli ed
incrementando la mobilità di lacune ed
elettroni.
Generalmente, le celle di silicio amorfo
idrogenato consistono di:
Æ un supporto (vetro)
Æ uno strato di ossido conduttore (ZnO;
SnO)
Æ uno strato superficiale (0.008 μm)
drogato tipo-p
Æ uno strato intrinseco non drogato (0.5-1
μm)
Æ uno strato drogato tipo-n (0.02 μm)
Æ metallo
Riporto fotovoltaico
Produzione di Thin Film in Silicio amorfo
La produzione di film sottili viene fatta facendo passare un supporto attraverso varie
camere, in ognuna della quali avviene la deposizione di uno strato.
Le temperature a cui si lavora sono intorno ai 100-200°C, in condizioni di vuoto spinto.
Controllando opportunamente temperatura, pressione e concentrazione si può ottenere
un alto grado di omogeneità.
Riporto fotovoltaico
Macchina per deposizione PECVD
Deposizione attivata dal plasma a radiofrequenza:
Æ basse temperature di processo,
Æ compatibilità con substrati plastici, ceramici, metallici
Contatti elettrici
Mediante i contatti elettrici la cella diventa parte di un circuito elettrico.
Il contatto posteriore (BACK CONTACT) è relativamente semplice e
generalmente consiste di uno strato metallico di Al, Ag o Mo.
I contatti anteriori (FRONT CONTACT) devono essere creati su tutta la
superficie in modo da far confluire la maggiore corrente possibile, e devono
essere sufficientemente spessi. D’altro canto l’area dei contatti non deve
essere troppo grande (3 - 5%) per non rischiare di mettere in ombra le parti
attive della cella solare, riducendone l’efficienza di conversione.
Le griglie vengono costruite facendo depositare
vapori metallici sulla cella attraverso una maschera,
o mediante serigrafia.
Nelle celle a film sottili viene generalmente
impiegato, come contatto anteriore un sottile strato
di ossido di stagno o ossido di zinco (TCO:
Transparent Conductive Oxide). Questo ha la
caratteristica di essere trasparente e di possedere
una buona conducibilità elettrica.
Contatti elettrici
Materiali e tecniche sperimentate
Tecniche di deposizione
Ag
Serigrafia
Evaporazione
SI
SI
SI
Materiali
Al
Ag - Al
Sputtering
SI
SI
Au
ITO
SI
ZnO
SI
SI
Contatti elettrici
Contatti elettrici
Contatti elettrici
Protocollo di sviluppo/sperimentazione dei riporti conduttivi
Il back contact
Messa a punto del trattamento termico
Preparazione provini
Caratterizzazioni
Æ Misure di resistenza strato
Æ Osservazione microstrutturale
Æ Considerazioni relative all’adesione al supporto
Realizzazione del prototipo di superficie conduttiva
Æ Individuazione del supporto ceramico industriale
Æ Individuazione del materiale
Æ Individuazione dei parametri di deposizione
Æ Caratterizzazione
Ottimizzazione della superficie conduttiva
Æ Resistenza strato
Æ Riflettanza
Æ Spessore
Æ Adesione
Contatti elettrici
Back contact: Risultati – Relazione tra ciclo termico e resistenza strato
Cottura a diverse T con gradiente 10 ºC/min
Resistenza strato - T di cottura
Resistenza strato (m illiohm /square)
250,00
Andamento curva analogo a
quanto trovato in bibliografia *
200,00
150,00
Da 350 °C il valore di resistenza
strato si stabilizza
100,00
Da 550 °C lo strato conduttivo
aderisce al supporto
50,00
0,00
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Temperatura (°C)
Cottura flash a Tmax per tempi diversi
La resistenza strato è funzione
del tempo di permanenza in
muffola
* [1] Lin, J.C., et al., Effect of surface properties of silver powder on the sintering of its thick-film conductor.
Material Chem. Phys., 1998, 45, 253-261.
Contatti elettrici
Back contact: Risultati – Relazione tra ciclo termico e microstruttura
Trattamento termico 1
Æ Scarsa aderenza al
substrato ceramico
Æ Ag sotto forma di grani poco
aderenti tra di loro
Æ Trattamento non sufficiente
a fare fondere la fritta
Trattamento termico 2
Trattamento termico 3
Æ Spessore omogeneo
Æ Grani d’argento separati:
superficie porosa
Æ Buona adesione al supporto
Æ Spessore omogeneo
Æ Grani d’argento di dimensioni
maggiori
Æ Buona adesione al supporto
Contatti elettrici
Back contact: Risultati – Ottimizzazione della superficie conduttiva
Differenti trattamenti termici SU DIVERSI MATERIALI
PN15SC_1
Scarsa
sinterizzazione
della pasta
PN15SC_4
Superficie
porosa
PN11SC_3
PN11SC_2
Superficie
omogenea e
senza pori
Contatti elettrici
Back contact: Risultati – Prototipo di superficie conduttiva
Scelta del supporto
ceramico
Scelta della pasta
serigrafica
Individuazione dei
parametri di
deposizione
serigrafica
Individuazione del
trattamento termico
ÆSupporto 10x10 cm
ÆDefinizione della geometria
ÆRealizzazione di 4 back contact delle celle che
saranno collegate in serie
Contatti elettrici
Back contact: Risultati – Caratterizzazione del prototipo di superficie conduttiva
Resistenza strato
4,5 + 0,3 mΩ / square
Spessore
~ 20 μm
Riflettanza
Adesione
Prova eseguita secondo procedura interna fornitore:
superata
Collegamenti elettrici
Realizzazione dei fori
per i connettori
Stagnatura
dei connettori
I connettori sono stati realizzati nell’ambito di un’apposita linea di ricerca
Strato protettivo
Caratteristiche
Æ transparente ai raggi solari
Æ resistente agli agenti atmosferici (acqua, grandine, radiazione solare...)
Æ stabilità chimica
Due linee di ricerca:
Resine polimeriche
< 250ºC <
T massima di
“sopravvivenza”
delle celle Si-a
Vetri basso-fondenti
Vetri forniti da partner
industriale
Strato protettivo
Caratterizzazione
Per valutare un modulo FV occorre conoscere le sue caratteristiche e le sue
prestazioni elettriche.
La cella/modulo, illuminata mediante un
simulatore solare, si comporta come un
generatore di corrente, il cui
funzionamento può essere descritto dalla
caratteristica I - V.
Le prove vengono effettuate in condizioni
standard.
STC Standard Test Conditions:
Temperatura T = 25°C
Intensità radiazione incidente G = 1000 W/m2
Spettro = 1,5 AM (Air Mass) distribuzione spettrale ottenuta con simulatori solari, comparabile allo
spettro del sole ad un angolo di 48,2°)
Caratterizzazione
Descrizione
Unità di misura
Simbolo
Potenza massima di picco
Watt
Wp
Tensione a circuito aperto
Volt
Voc
Corrente di corto circuito
Ampere
Isc
Tensione alla massima potenza
Volt
Vpm
Corrente alla massima potenza
Ampere
Ipm
Efficienza della cella
%
ηc
Efficienza del modulo
%
ηm
Wp=Vpm*Ipm
È la potenza teorica
massima che un impianto
può produrre nelle
condizioni standard. *
Rapporto tra l’energia
elettrica prodotta e l’energia
solare raccolta dal
dispositivo fotovoltaico
*Punto del diagramma I-V in cui è massimo il prodotto Tensione*Corrente
Caratterizzazione
Risultati e prestazioni
1. Celle PV di riferimento depositate su un substrato di vetro
Condizioni STD: T = 25 °C; G = 1000 W/m2; Spettro = 1.5 AM
Risultati e prestazioni
2. Piccole celle PV depositate su un substrato ceramico
Condizioni STD: T = 25 °C; G = 1000 W/m2; Spettro = 1.5 AM
Risultati e prestazioni
3. Mini-modulo, con celle PV estese, su substrato ceramico
100
Isc=60.1 mA
Current [mA]
80
FF=0.35
Voc=3.1 V
Eff=2.4%
60
40
20
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Voltage [V]
Condizioni STD: T = 25 °C; G = 1000 W/m2; Spettro = 1.5 AM
3
3,5
4
Risultati e prestazioni
Presentazione PROTOTIPO minimodulo 10x10 cm a R2B (maggio ’07)
Risultati e prestazioni
Monitoraggio di un modulo di piastrelle FV out-door, montate simulando
una parere ventilata
Luglio’08
Approvazione
progetto
CECERBENCH 2
Novembre’08
Firma
convenzione
Attività in corso e sviluppi futuri
Prototipo 30x30 cm con
efficienza intorno al 6%
+
Pannello realizzato con
piastrelle 30x30 cm
LINEA PILOTA
START
END
Nov. ‘08
Apr. ‘10
START
END
Ott. ‘09
2009
2010
Gennaio ‘09
Approvazione
Programma
Industria 2015
Sett.’12
2011
2012
Impatti e ricadute
Building Integrating
(Ventilated) PV Facade
Sistemi a facciata
ventilata con moduli
in a-Si
(VOLTARLUX® PV-F
type system)
ASI Glass – Schott Solar
53kWp Multicrystalline
curtain walling installation
Matarò Library, Spain
Impatti e ricadute
“Involucri degli edifici”
DISPERSIONI
Emissioni di gas: 10÷12%
Tetto: 10÷15%
Finestre: 20÷25%
Ventilazione: 20÷30%
Facciate: 20÷25%
Al suolo: 5÷6%
Integrazione tra Industria Ceramica ed Industria FV
Impatti e ricadute
Miglioramento delle performance: facciate ventilate & FV
RIQUALIFICAZIONE ENERGETICA
Imp
ieg
o
di e
Dispersioni
ner
g
ie r
inn
ova
bili
Facciate: 20÷25%
Parete ventilata
Modulo PV
Integrazione tra Industria Ceramica ed Industria FV
Impatti e ricadute
BIPV – Building Integrated PhotoVoltaics
Funzionalizzazione degli “involucri”:
BIPV-Building Integrated PhotoVoltaics
Posizionando l’impianto fotovoltaico all’esterno
degli edifici si consegue l’integrazione
architettonica.
Æ
VANTAGGI
Æ
Produzione di energia elettrica
Æ
Isolamento termico
Æ
Ombreggiamento
Æ
Progettazione architettonica
Æ
No costi acquisizione terreni
Æ
Produzione di energia elettrica nel
punto di utilizzo (o in prossimità),
abbattendo costi e perdite dovuti a
trasmissione e distribuzione
I costi degli impianti BIPV sono superiori a quelli degli
impianti tradizionali.
Politiche di supporto a livello nazionale (“Nuovo Conto
Energia”) e comunitario.
Integrazione tra Industria Ceramica ed Industria FV
Impatti e ricadute
Integrazione degli elementi fotovoltaici negli edifici - BIPV
Æ Numerosi esempi di integrazione del FV negli edifici *
Æ Il mercato del BIPV rappresenta uno dei segmenti in maggiore crescita nel mercato FV
Æ Oggi i moduli FV per l’integrazione negli edifici vengono prodotti come elementi standard per le
costruzioni
In quest’ottica:
Punto di raccordo tra industria ceramica ed industria FV
Nuova generazione di elementi da costruzione aventi una “superficie FV”
*
[1] Benemann, J. et al., Adv. Sol. Energy, 1999, 13, 317
[2] Benemann, J. et al., Building-integrated PV modules, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2001, 67, 345-354.
[3] Mei, L. et al., Thermal Modelling for Building Integrating Ventilated PV Façade; Matarò (Spain). Photovoltaic. Energie.Cités 2000.
[4] Yang, H. et al., Grid-connected building-integrated photovoltaics: a Hong Kong case study, Sol. Energy, 2004, 76, 55–59.
[5] Omer, S.A. et al., Monitoring results of two examples of building integrated PV (BIPV) systems in the UK, Renewable Energy, 2003, 28, 1387–1399.
[6] Maurus, H. et al., RWE SCHOTT Solar GmbH, Germany report. PV FOR BUILDINGS, November/December 2004 reFOCUS.
[7] Battisti, R. et al., Evaluation of technical improvements of photovoltaic systems through life cycle assessment methodology, Energy, 2005, 30, 952–967
Integrazione tra Industria Ceramica ed Industria FV
Impatti e ricadute
COSTI
Oggi:
I costi per produrre energia mediante tecnologia PV
sono più elevati di quelli di altre fonti (combustibili
fossili, nucleare)
Entro
20-30
anni:
I costi per produrre energia mediante tecnologia PV
saranno uguali ai costi da altre fonti
Fonte
Impatti e ricadute
PV Tiles vs altri moduli PV
SUPERFICIE (m2) necessaria per produrre 1 kWp (tetto con pendenza 30°, orientato a
sud, Italia Centrale):
Æ Pannelli di silicio mono- e poli-cristallino:
10 m2 (assumendo η = 10%)
Æ Pannelli di silicio amorfo
16 m2 (assumendo η = 6%)
Æ PV tiles
25 m2 (assumendo η = 4%)
Fonte: Ministero dell’Ambiente (2004)
3. Conclusioni
La sostenibilità: un requisito di base ed un obiettivo
obbligatorio per le costruzioni ed i prodotti da costruzione,
comprese le piastrelle di ceramica per pavimento e
rivestimento
La conformità con questo requisito-obiettivo deve essere
costruita ed integrata su una “piattaforma” di attività
significative condotte e risultati già ottenuti, per le
piastrelle ceramiche “convenzionali”
R&D di materiali innovativi – piastrelle di ceramica –
funzionalizzati e tagliati su misura per l’edilizia sostenibile:
obiettivo strategico per il rafforzamento della competitività
Uso di metodologie LCA per la valutazione della sostenibilità
delle costruzioni e dei prodotti da costruzione
Materiali innovativi ed attività di standardizzazione
GIORGIO TIMELLINI
Tel. 051-534015
E_mail [email protected]