WP1 - Produzione di silicio multi-cristallino

Obiettivi

All’interno del Polo di ricerca nel settore del fotovoltaico dell’Università di Padova, il Work Package 1 si pone come obiettivo lo sviluppo di tecnologie innovative per la produzione di lingotti di silicio multi-cristallino, allo scopo di ridurre i costi, aumentare l’efficienza dei processi produttivi e realizzare prodotti di maggior qualità rispetto a quelli ottenibili con le tecniche attuali.

Il silicio

Attualmente sono presenti sul mercato parecchi tipi di moduli fotovoltaici basati su diverse tecnologie: moduli fotovoltaici a base di silicio cristallino, moduli a film sottile a base di silicio amorfo, tellururo di cadmio o diseleniuro di rame, indio e gallio, oltre a tecnologie emergenti quali il fotovoltaico organico o polimerico. All’interno di questo panorama in continua evoluzione, la tecnologia basata sul silicio ha mantenuto negli anni una posizione dominante nei confronti delle altre tecnologie per quanto riguarda l’installazione in impianti civili, commerciali o industriali, nonché per quanto riguarda l’installazione in centrali di produzione di energia elettrica da fonte solare. Questa dominanza della tecnologia basata sul silicio, nei confronti delle tecnologie concorrenti, è legata ad un rapporto prestazioni/costo ancora non raggiunto dalle altre tecnologie.

Il silicio, inoltre, essendo il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre, non presenta grossi problemi di approvvigionamento; inoltre non è tossico, né dannoso per l’ambiente e può essere riciclato a fine vita.

Il silicio multi-cristallino

I moduli fotovoltaici a base di silicio possono essere suddivisi in due grosse famiglie: i moduli a film sottile di silicio amorfo e i moduli basati su celle di silicio cristallino.

I primi sono caratterizzati da un relativamente basso costo costruttivo e da necessità di materie prime modeste, tuttavia la loro efficienza è relativamente bassa e questo limita la loro competitività nel mercato del fotovoltaico. Questi moduli sono quindi inadatti ad applicazioni per la produzione di energia elettrica da fonte solare, ma possono essere utilizzati efficacemente per applicazioni di integrazione architettonica.

I moduli basati su celle di silicio cristallino presentano invece un’efficienza superiore alle altre tecnologie presenti sul mercato, con un costo competitivo. In particolare le celle di silicio cristallino possono essere ulteriormente suddivise in celle di silicio mono-cristallino e celle di silicio multi-cristallino, in base alla struttura cristallina del materiale utilizzato.

Per anni le celle di silicio mono-cristallino hanno dominato il mercato grazie alla loro maggior efficienza, tuttavia negli ultimi anni, grazie ad un incremento delle prestazioni e ad una riduzione dei costi di produzione, le celle di silicio multi-cristallino hanno raggiunto rapporti efficienza/costo superiori rispetto alle celle di silicio mono-cristallino, guadagnando così quote di mercato sempre maggiori, fino a superare quelle del silicio mono-cristallino.

La filiera del silicio

La produzione di celle di silicio multi-cristallino avviene attraverso una serie di processi industriali, alcu

ni dei quali relativamente complessi ed onerosi dal punto di vista energetico, che servono per trasformare l’elemento di partenza (la silice) in una cella che potrà essere lavorata e montata in un modulo fotovoltaico che verrà immesso nel mercato.

In particolare la filiera del silicio a monte della produzione dei wafer è quella più onerosa e la filiera per la produzione di moduli di silicio multi-cristallino può essere sintetizzata nei seguenti passaggi:

1. Processo carbo-termico per la trasformazione della silice in silicio di grado solare (polysilicon)
2. Fusione del polysilicon e solidificazione per ottenere lingotti di silicio multi-cristallino
3. Taglio dei lingotti per ottenere wafer di silicio
4. Lavorazione dei wafer per realizzare la cella
5. Assemblaggio delle celle in moduli

 

 

 

Produzione di lingotti di silicio multi-cristallino

Nell’ambito della filiera per la produzione di celle di silicio multi-cristallino per applicazioni fotovoltaiche, il WP1 vuole effettuare delle ricerche per introdurre delle innovazioni ed ottimizzare il processo di fusione del silicio e solidificazione per ottenere i lingotti di silicio multi-cristallino.

Questa fase viene eseguita industrialmente mediante l’utilizzo di particolari forni per la solidificazione direzionale, chiamati forni DSS (Directional Solidification Systems). In questi forni il silicio, sotto forma di pezzi di polysilicon, viene portato ad una temperatura superiore alla sua temperatura di fusione (1413,85 °C) e viene fatto solidificare lentamente in modo da ottenere nel silicio solido una struttura cristallina con cristalli di dimensione adeguata ed orientazione parallela all’altezza del lingotto. Il controllo del processo di solidificazione e conseguentemente delle caratteristiche della struttura cristallina del silicio è essenziale per ottenere celle con buone prestazioni.

 

Applicazione dell’induzione ai forni DSS

I forni DSS industriali utilizzati per la realizzazione di lingotti di silicio multi-cristallino sono alimentati con energia elettrica e gli elementi riscaldanti sono resistori di grafite ed il processo di fusione del polysilicon e solidificazione di silicio multi-cristallino è uno dei processi energeticamente più intensivi dell’intera filiera.

Il WP1, intervenendo in questa fase produttiva, vuole realizzare un prototipo di forno DSS da laboratorio basato sul riscaldamento ad induzione elettromagnetica in sostituzione del tradizionale sistema di riscaldamento a resistori.

I vantaggi del riscaldamento ad induzione elettromagnetica nei confronti del tradizionale riscaldamento a resistori sono molteplici e vanno da una maggior efficienza energetica del sistema, che si ripercuote direttamente sul costo di produzione dei moduli e sulla riduzione dell’impatto ambientale, ad un più efficace controllo del processo. In particolare l’utilizzo di alcuni accorgimenti costruttivi della macchina consente di controllare maggiormente la fase di solidificazione del silicio multi-cristallino, in modo da ottenere cristalli di dimensioni maggiori e con un allineamento migliore rispetto a quelli ottenibili con i metodi tradizionali, aumentando conseguentemente le prestazioni fotoelettriche delle celle fotovoltaiche. Il sistema di riscaldamento ad induzione si presta inoltre bene a sperimentazioni sull’effetto dello stirring elettromagnetico, ovvero al rimescolamento del silicio liquido durante la fase di solidificazione mediante l’applicazione di campi elettromagnetici, sulle caratteristiche del silicio multi-cristallino ottenuto dopo la solidificazione, confrontandolo con le caratteristiche di lingotti ottenuti senza l’applicazione dello stirring.

Attività di ricerca del WP1

 

Il WP1, seguendo i suoi obiettivi di innovazione e miglioramento dei processi più a monte della catena produttiva di celle solari, in un ottica di riduzione dei costi, di controllo dell’impatto ambientale e di miglioramento della qualità dei prodotti, segue le seguenti attività di ricerca:

1. Progettazione e realizzazione del forno DSS ad induzione da laboratorio da utilizzare per le prove sperimentali di fusione e solidificazione del silicio multi-cristallino
2. Analisi mediante simulazioni del processo di fusione e solidificazione direzionale del silicio multi-cristallino e verifica dei risultati con prove sperimentali di realizzazione di lingotti mediante il forno ad induzione
3. Analisi sperimentale dell’effetto del sistema di riscaldamento ad induzione sulla qualità del silicio multi-cristallino prodotto
4. Sperimentazione con simulazioni e prove sperimentali dell’effetto dello stirring elettromagnetico sulla qualità del silicio multi-cristallino ottenibile dal processo di solidificazione.

 

 

WP1 - Produzione di silicio multi-cristallino eseguito correttamente Responsabile: prof. Fabrizio Dughiero University of Padua Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Via Gradenigo, 6/A - 35131 Padova Telefono +39 049 827 7708 - Email: fabrizio.dughiero[at]unipd.it