Ana Rosa Lagunas El marco Tecnológico de las Energías Renovables.

Ana Rosa Lagunas

El marco Tecnológico de las Energías Renovables

AgendaMotivación para la I + D + i en ESFV

Distintas tecnologías en ESFV Rendimientos y costes

Pruebas de envejecimiento y durabilidadResumen de la situación actual

Amenazas y Oportunidades derivadas de la situación actual Producción mundial Propuestas de futuro: Tecnologías

Conclusiones

Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

¿Hacia donde van los desarrollos tecnológicos en Energía Solar Fotovoltaica (ESFV)?

Favorecer la implantación de la ESFV


¿Cuáles son los obstáculos para la implantación de la ESFV?

Desconocimiento: no son conocidas todas las aplicaciones posibles

Precio: La ESFV es cara en su instalación


¿Cuáles son las alternativas para vencer los obstáculos para la implantación de la ESFV?

Actividades para la “Reducción de costes”

Costes de fabricación/Wp: Fabricación más barata (materiales, técnicas, volumen,…) Fabricación más cara, pero de mayor eficiencia de conversión FV

Aumentando la duración (en buen uso) de los equipos

Actividades para la difusión de las posibilidades de utilización de la ESFV


La célula solar fotovoltaica:

¿ Cómo aumentar su eficiencia de conversión y/o reducir su coste?


Tecnologías de Células fotovoltaicas en producción


Células FV que usan Silicio como sustrato Silicio Monocristalino Silicio Multicristalino Silicio crecido en cinta o similar Células híbridas

Células y módulos de Lámina Delgada Silicio amorfo o amorfo/microcristalino Compuestos del grupo II-VI

Otras Tecnologías Concentración Compuestos del grupo III-V Materiales orgánicos Nuevos conceptos


Distribución por tecnologías de la producción de células fotovoltaicas a nivel mundial


4,1 4,3 5,6 4,6 4,4 3,3 2,9 2,6

0,20,3 0,2 0,6

0,4 0,2 0,2

12,39,6 8,9

6,4 4,54,4 4,7 4,7

0,50,3 0,5

0,71,1

1,1 1,4 2,7

42,1 48,250,2

51,657,2

54,752,3

46,5

40,837,4

34,6 36,432,2

36,2 38,443,4

0,2

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Monocrystalline

Multicrystalline

CdTe

a-Si

CIGS/CIS

Ribbon-/sheet c-Si

(Fuente: Photon International, 03/2007)

Tecnologías de fabricación de células/módulos fotovoltaicos Silicio como sustrato

Parten de una oblea de silicio y mediante diferentes etapas de fabricación se obtiene la célula

Etapas de fabricación (tipo)


Crecimiento de lingote: - Cz o FZ -

Corte del lingote en obleas

Polisilicio

Limpieza de las obleas

Crecimiento de láminas

- EFG, String ribbon, RGS -

Eliminación del daño de corte

Texturización - Química, RIE -

Difusión para la formación de la unión p-n: - Horno de difusión, spray + RTP - …

Eliminación del PSG o unión parásita

Deposición de ARC:- PECVD, Sputtering -

Metalización de los contactos traseros (Al) y frontales (Ag)

- Serigrafía -

Curado de los contactos traseros y frontales

Aislamiento del borde- Láser, química, RIE -

Caracterización de la célula

Célula Solar


12/7

Tecnología para módulos de Si cristalino a partir de oblea (89,5% (93,5%) producción mundial a 2006 (2005))

I Silicio mono-cristalino (43,4% (38,4%) producción mundial): Tecnología ampliamente experimentada Originada en los rechazos de la industria microelectrónica Oblea a partir de lingote de Silicio monocristalino crecido por Czocralski

habitualmente Eficiencia máxima de célula en laboratorio: 24,7%

Rigidez del módulo Alto coste, debido en parte, al caro material de partida Tradicionalmente el espesor de las obleas era de 350 micras, pero en la

actualidad se procesan en el rango de 200 micras y hay proyectos en marcha para reducirlo incluso algo más

Hay variantes tecnológicas como las células de contactos enterrados y las de contactos posteriores, entre otras


13/7

Tecnología para módulos de Si cristalino a partir de oblea (89,5% (93,5%) producción mundial a 2006 (2005))

II Silicio multicristalino (46,5% (52,3%) producción mundial): Tecnología ampliamente experimentada Oblea a partir de lingote multicristalino obtenido por colada habitualmente Cristales visibles en el rango de cm Más barato que el Silicio monocristalino debido a la técnica de obtención

del lingote, pero compartiendo el mismo material de partida Eficiencia máxima de célula en laboratorio: 20,3% Características similares al Si-mono para fabricación de módulos Se está trabajando en la reducción del espesor de las obleas como en el

caso del Si mono


14/7

Tecnologías para módulos de Si cristalino a partir de oblea (89,5% (93,5%) producción mundial a 2006 (2005) )

III - Silicio String Ribbon/EFG (2,6% (2,9%) producción mundial) Tecnología de célula similar a las de Si mono y multicristalino Obtención de la oblea se realiza a partir de crecimiento en cinta, lo que

elimina la pérdida de material de Si durante el corte, como sucede con el lingote

Eficiencia: aprox. 15%

IV - Células Híbridas Mezclan la tecnología de Si cristalino en oblea con procesos de lámina

delgada (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer (HIT) de Sanyo) En el mercado hay células basadas en Si monocristalino y en proyecto

están todavía las células basadas en Si multicristal Eficiencia 19% en célula (16,5% en módulo)


La célula solar fotovoltaica:



La célula solar de Silicio:

REDUCCIÓN DE COSTES BASADA EN REDUCCIÓN DE COSTES DE MATERIAL

1.-Inicialmente fueron Silicio MONO-cristalino “rechazos” de la industria microelectrónica

2.-Posteriormente fabricaban sustratos de Silicio de “menor calidad cristalina” (MULTI-cristalino)

3.- Actualmente se está reduciendo el espesor

de la oblea de partida» 4.- Alternativa es depositar únicamente la

cantidad de material necesaria para producir efecto FV (LÁMINA DELGADA)


La célula solar de Silicio:

REDUCCIÓN DE COSTES PARA TECNOLOGÍA DE SILICIO BASADA EN AUMENTO DE EFICIENCIA

1.- Ajuste óptimo de los procesos individuales: 2.- Reducción de los materiales

pantalla:* Contactos

enterrados* Contactos

posteriores3.- Aumento del

aprovechamiento del espectro solar (Tándem)


La célula solar: Capacidad de absorción dependiendo de la tecnología y la longitud de onda de la radiación


La célula solar: REDUCCIÓN DE COSTES PARA TECNOLOGÍA DE SILICIO BASADA EN

AUMENTO DE VOLUMEN DE PRODUCCIÓN

1.- Automatización: equipos más rápidos y eficientes

2.- Economía de escala


Tecnologías de fabricación de células/módulos fotovoltaicos:

Lámina Delgada


Tecnologías para módulos de Lámina Delgada (7,6% de la producción mundial a 2006, ligero aumento en porcentaje respecto de 2005 (6,5%))

Características generales: Requieren menor consumo de material en su fabricación (2-3

micras de espesor es suficiente) Utilizan técnicas de procesado más complejas, en algunos

casos, que las tecnologías de Si basado en oblea Permiten su realización sobre sustratos de diversas

características, flexibles, metálicos, transparentes y de grandes dimensiones

Parte del proceso del módulo está integrado en la fabricación de la célula

No compiten con tecnologías de otros sectores para la obtención de la materia prima

Requieren un periodo de estabilización


Sustrato:

Vidrio, plástico, acero inoxidable, …

Limpieza del sustrato

Deposición de capa TCO y contacto metálico (Al):

- Sputtering -

Grabado del TCO y contactos:

- Láser, Fotolitografía -

Deposición de película absorbente: silicio amorfo- PECVD – o CIS-otras técnicas

Grabado de los contactos de la célula

- Láser, Fotolitografía -

Deposición de capa TCO y contacto metálico (Ag)

- Sputtering -

Célula/módulo FV de lámina

delgada


Tecnologías para módulos de Lámina Delgada

Tecnologías de lámina delgada actualmente en producción:

Silicio amorfo y microcristalino (4,7% producción mundial) CdTe y otros compuestos de grupos II-VI (2,7% de la producción

mundial, importante subida desde 1,6% en 2005) CIS/CIGS (CuInSe2/CuInGaSe2) 0,2% de la producción mundial a

2006


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I - Lámina delgada de Silicio: amorfo simple, multiunión, micro-cristalino (4,7% de producción mundial)

Proceso de fabricación del material absorbente a-Si mediante PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)

Obtención a partir de Silano (SiH4) habitualmente Dopaje mediante B2H6 (p) o PH3 (n) Deposición a baja Temperatura (200C – 500C)

Poco consumo de materia prima (material absorbente en el rango de micra) Permite obtención en grandes superficies y sobre sustratos flexibles Aplicaciones en integración arquitectónica Equipamiento más caro y complejo que para las tecnologías estándar

basadas en Si a partir de oblea, incluye técnicas de vacío Eficiencia menor que los módulos Si cristalino a partir de oblea

Eficiencia Si (μ-cristalino)=8,2%; a-Si(tandem)=10.4% (**)

Requiere una etapa de estabilización.Fuente: ** Martin A.Green et al, Progress in Photovoltaics Research and Applications 2007; 15:425-430


25/7

Eficiencias de células y módulos de Silicio monocristalino, multicristalino y amorfo de una o varias uniones


26/7

Tecnologías para módulos de lámina delgada

II - Telururo de Cd (CdTe) y similares (2,7% de la producción mundial a 2006)

Versatilidad para la obtención (pulverización catódica, deposición química en fase vapor, spray químico, epitaxia de capas atómicas…)

Se están aplicando mejoras al resto de los procesos involucrados (tratamientos térmicos, óxidos conductores transparentes, contactos y fiabilidad del encapsulamiento entre otros)

Es un inconveniente la toxicidad del Cd, aunque actualmente se puede reciclar el de los módulos antiguos

Eficiencia módulo 10.7 % (16,5% célula) **

Fuente: ** Martin A.Green et al, Progress in Photovoltaics Research and Applications 2007; 15:425-430


27/7

Tecnologías para módulos de lámina delgada III - CIGSS (0,2% de la producción mundial a 2006)

Métodos de fabricación y cantidad de material utilizado económicos Eficiencia módulo: 13.4 % (18,8% célula)** Existen líneas claras para aumentar su eficiencia Compatible con sustratos flexibles Buffer de CdS sustituible por ZnSe o hidróxidos de Indio; el selenio por

azufre Aparece como candidato a competir con el Si cristalino basado en

oblea



28/7

Rendimiento comparativo de células de lámina delgada


29/7

Otras tecnologías emergentes: Células para concentración I - Alta concentracción para células de compuestos III-V:

Basadas en compuestos de elementos de los grupos III-V de la tabla periódica (AsGa, InP,…)

Células de alta eficiencia, caras de fabricación que se rentabilizan mediante concentración

Las técnicas de ingeniería de materiales permiten definir las distintas capas de material que se superpondrán de manera que se consiga la absorción del mayor número de longitudes de onda del espectro solar

Proceso de fabricación caro (epitaxia de haces moleculares (MBE), epitaxia en fase líquida (LPE), o a partir de compuestos organometálicos MOCVD), pero muy controlado

células de pequeño tamaño (~ mm2) Concentración hasta 1000X Requieren un muy buen seguimiento solar Alta Eficiencia (32% en multiunión GaInP/GaAs/Ge)**



30/7

Otras tecnologías emergentes II – Alta concentración en Si

Pequeñas células producidas con tecnología de microelectrónica (~ cm2) Células de contactos posteriores utilizables preferentemente para Concentración hasta 400X

III – Células orgánicas

Material y fabricación económicos Eficiencia baja: 3,0 %(**) Sobre cualquier tipo de sustratos flexibles y otros Demostradas en laboratorio ahora empiezan las plantas piloto

IV – Células de colorante Utilizan colorantes que modifican el espectro de la radiación solar incidente para

aproximarlo a las posibilidades de absorción de la célula en cuestión Eficiencia: 10,4% (**)



Otros componentes fotovoltaicos: Módulos Inversores Acumuladores Reguladores Seguidores


El módulo fotovoltaico:



Reducción de costes asociada a la fabricación de los Módulos fotovoltaicos (tipo):

Cubierta exterior de vidrio Encapsulante Protección posterior Marco metálico de aluminio Cableado y bornas Diodo de protección


Aumento de la duración del uso en buenas condiciones de los equipos:

Sistemas fotovoltaicos: Normativa de aplicación

El aseguramiento de las condiciones de durabilidad y funcionamiento de los componentes de las instalaciones FV se rige por unas normas de validez internacional.

Estos criterios se actualizan continuamente a medida que se desarrollan nuevos productos y nuevas pruebas para verificarlos.


Sistemas fotovoltaicos: Ensayos para certificación de componentes

¿Qué objeto tienen las normas de aplicación a los componentes?

¿Como son los ensayos que se realizan a un componente tipo?


Ensayos de la IEC-61215:2005


Ensayos de diagnóstico

Inspección visual Funcionamiento eléctrico bajo condiciones estándar (STC) Ensayos de aislamiento eléctrico

Inspección visual Aislamiento eléctrico


Ensayos de caracterización

Medida de coeficientes de Temperatura (α,β,γ). Determinación de la Temperatura de Operación Nominal de

la Célula (TONC, NOCT). Operación a Baja Irradiancia. Exposición en Exterior y resistencia a Puntos Calientes.

Determinación de la TONC Seguidor Solar


MAXIMUM POWER VS TEMPERATURE

70

80

90

100

110

120

130

140

0 20 40 60 80 100 120

TEMPERATURE (ºC)

PO

WE

R (

W)

Manufacturer Measured Points High Temperature Points Least Squares Straight line Uncertainty+ Uncertainty-

MANUFACTURER MEASURED

γ -0.559W/K -0.573W/K±0.021W/K

Pmp 130W 128.5W


Ensayos climáticos

Ensayos de exposición ultravioleta Ciclos térmicos, Calor húmedo, Ciclos de humedad-

congelación (Ensayo de corrosión por niebla salina, para ambientes

salinos)

Cámara de UV Cámara climáticaCámara de niebla salina


Ensayos mecánicos

Ensayo de carga mecánica Robustez de terminales Ensayo de impacto de granizo

Simulación de impacto de granizoCarga mecánica


Ensayos de seguridad eléctrica: IEC 61730 No existe como norma UNE todavía Mientras tanto algunos laboratorios han “definido” unos

ensayos de seguridad basados en varias normas internacionales de aplicación:

IEC-61730-1:2004 Apdo. 9 IEC-61730-2:2004 Apdos. 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6 UL 1703:2002 Apdo. 30

Conjunto de ensayos Resistencia a alta tensión Continuidad de puesta a tierra Corriente de fugas en mojado Impacto Susceptibilidad al cortado Impulsos de alta tensión Líneas de fuga y distancias de aislamiento


43/7

Evolución del rendimiento y el precio de las distintas tecnologías de producción


44/7

Evolución del rendimiento de las distintas tecnologías de producción de módulos fotovoltaicos

Fuente : Photovoltaic Technology Platform (2006)


7/7

Tecnología de Célula Costes de fabricación de módulos ($/Wp)

2005 2010 2015

Coste/precio Coste/Precio Coste/Precio

Silicio cristalino

Monocristalino 2,50 / 3,75 2,00 / 2,50 1,40 / 2,20

Multicristalino 2,40 / 3,55 1,75 / 2,20 1,20 / 2,00

Obleas (Si y otros materiales)

Cinta de Silicio 2,00 / 3,35 1,60 / 2,20 1,00 / 1,70

Si concentración 3,00 / 5,00 1,50 / 2,50 1,00 / 1,70

Lámina delgada

Silicio amorfo 1,50 / 2,50 1,25 / 2,00 0,90 / 1,60

CIS, CIGS 1,50 / 2,50 1,20 / 2,00 0,80 / 1,33

CdTe, Scd 1,50 / 2,50 1,20 / 2,00 0,80 / 1,33

Evolución del Coste/precio de las distintas tecnologías de producción de módulos fotovoltaicos

Fuente: PV Technology Performance and cost 2006, Paul Maycock y Travis Bradford (Prometheus Institute)


Situación actual de la ESFV Producción mundial durante los últimos años


Producción anual de células fotovoltaicas


Annual worldwide PV cell and module production

202 287 401560

750

1256

1818

2536

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Years

MW


Clasificación de los principales fabricantes


Top 10 PV cell and module producers worldwide

434,7

253,1

180

160

155

111

102

96

90

85,64

0 100 200 300 400 500

Sharp

Q-Cells

Kyocera

Suntech

Sanyo

Mitsubishi Electric

Motech

Schott Solar

Solar World

BP Solar

MW


Apuntes sobre producción de células fotovoltaicas a 2006 Crecimiento mantenido desde 1999 superior al 30% Superado 1 GW en 2004, superados 2GW en 2006 45% aumento en 2005 (1818) respecto a 2004

Por empresas Sharp continua liderando la producción mundial 17,1% (23,5%)

Q-Cells es el segundo productor 10,0% (9,1%)

BP pasa al 10º lugar (7º lugar)

Suntech (China) cuarto productor 6,3%, (noveno 4,5%)

Motech (Taiwan) séptimo 4,0% (décimo (3,3%)

Por áreas geográficas Impresionante despegue de China 15,1% (2, 4, 8 en años anteriores)


50/7

Hasta aquí hemos hablado del presente de la Energía Solar Fotovoltaica a partir de las tecnologías que están disponibles en producción,

1.- ¿Qué ha dirigido la evolución y el crecimiento de estas tecnologías hasta el punto en el que estamos?

2.- ¿Cuales son los problemas que se pueden presentar en el futuro inmediato que enturbien el próximo desarrollo?


51/7

Amenazas y Oportunidades derivadas de la situación actual


52/7

Un análisis DAFO simplista respecto a la Energía Solar Fotovoltaica puede darnos un punto de partida

Fortalezas: interés ambiental Oportunidades: políticas de retribución a la producción de

energía por medios renovables

Debilidades: alto precio de los componentes Amenazas: escasez de material de partida (Polisilicio) para

tecnologías mayoritarias de Si cristalino


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DEBILIDAD: Alto precio de los componentes: Alto coste de la energía producida

Propuestas para una Reducción de costes:

Reducción del (€/Wp) para la producción Reducción del consumo de materiales Materiales más baratos Reducción del consumo de energía para la fabricación Equipos de fabricación más rápidos y eficientes Mejora en la fiabilidad de los productos Capacidad de reciclado Versatilidad de utilización

Mejora de la eficiencia Nuevas alternativas de células Control y optimización de los procesos Mayor aprovechamiento del espectro solar


54/7

AMENAZA: Escasez del material de partida (polisilicio) para las tecnologías mayoritarias: No disponibilidad de componentes para la instalación (amenaza que remite en los últimos tiempos)

Propuestas para eliminar dicha amenaza

Aumento de la capacidad de producción de polisilicio Nuevas alternativas de obtención de material de polisilicio Reducción del consumo de materiales Nuevas técnicas para obtención del sustrato de Silicio Tecnologías de fabricación alternativas


55/7

Futuro previsible de la Energía Solar Fotovoltaica Producción mundial y Tecnologías


Distribución por tecnologías de la producción anual de células fotovoltaicas


4,1 4,3 5,6 4,6 4,4 3,3 2,9 2,6

0,20,3 0,2 0,6

0,4 0,2 0,2

12,39,6 8,9

6,4 4,54,4 4,7 4,7

0,50,3 0,5

0,71,1

1,1 1,4 2,7

42,1 48,250,2

51,657,2

54,752,3

46,5

40,837,4

34,6 36,432,2

36,2 38,443,4

0,2

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Monocrystalline

Multicrystalline

CdTe

a-Si

CIGS/CIS

Ribbon-/sheet c-Si

(Source: Photon International, 03/2007)

Fuente: EPIA (Septiembre 2004)

Evolución prevista de la Producción de Módulos fotovoltaicos/tecnologías (I)


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Evolución prevista de la producción de módulos fotovoltaicos/tecnologías (II)

Fuente : EPIA 2006


59/7

Producción mundial y tecnologías

Crecimiento continuado en 2 dígitos de la producción mundial Las tecnologías de lámina delgada y nuevos conceptos ganan

terreno

Estimación Lámina Delgada 2020: 7,5GW (22%) Estimación Lámina Delgada 2030: 133GW (33%) En 2030: 1/3 LD;1/3 c-Si; 1/3 nuevos conceptos


60/7

RESUMEN:

Hay Debilidades y Amenazas para el desarrollo de la ESFV, pero en resumen, parece que ganan las Fortalezas y Oportunidades, de manera que se siguen planeando crecimientos de producción mundial en 2 dígitos.

El entorno fotovoltaico está rebosante de anuncios de nuevas empresas y aumento de capacidad de producción a nivel mundial

La crisis del material de polisilicio ha generado buenas perspectivas para el desarrollo de tecnologías alternativas al Silicio cristalino en oblea

Crecimiento de las tecnologías de lámina delgada Utilización de materiales caros y de alta eficiencia Investigación en otros materiales más baratos, de menor eficiencia pero con

variado tipo de aplicaciones


61/7

RESUMEN (cont.):

La mejora de la eficiencia de las células fotovoltaicas, puede venir dirigida por las posibilidades derivadas de las técnicas de ingeniería de materiales de última generación, que permiten la absorción óptima del espectro solar

La “Mega-Instalación Fotovoltaica” no es la única alternativa para la Energía Solar Fotovoltaica

La integración arquitectónica va ganando terreno con el uso de productos generados mediante las nuevas tecnologías de fabricación

Es importante la utilización de distintas tecnologías de fabricación según las aplicaciones


Ana Rosa Lagunas El marco Tecnológico de las Energías Renovables.

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