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Ana Rosa Lagunas

El marco Tecnológico de las Energías Renovables. Ana Rosa Lagunas. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables. Agenda Motivación para la I + D + i en ESFV Distintas tecnologías en ESFV Rendimientos y costes Pruebas de envejecimiento y durabilidad

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Presentation Transcript

  1. El marco Tecnológico de las Energías Renovables Ana Rosa Lagunas

  2. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables Agenda • Motivación para la I + D + i en ESFV • Distintas tecnologías en ESFV • Rendimientos y costes • Pruebas de envejecimiento y durabilidad • Resumen de la situación actual • Amenazas y Oportunidades derivadas de la situación actual • Producción mundial • Propuestas de futuro: Tecnologías • Conclusiones

  3. 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

  4. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables ¿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

  5. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables ¿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

  6. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • La célula solar fotovoltaica: ¿ Cómo aumentar su eficiencia de conversión y/o reducir su coste?

  7. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Tecnologías de Células fotovoltaicas en producción

  8. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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

  9. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Distribución por tecnologías de la producción de células fotovoltaicas a nivel mundial (Fuente: Photon International, 03/2007)

  10. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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)

  11. Aislamiento del borde - Láser, química, RIE - Eliminación del daño de corte Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables Caracterización de la célula Polisilicio Crecimiento de lingote: - Cz o FZ - Crecimiento de láminas - EFG, String ribbon, RGS - Célula Solar Corte del lingote en obleas Curado de los contactos traseros y frontales Limpieza de las obleas Metalización de los contactos traseros (Al) y frontales (Ag) - Serigrafía - Deposición de ARC: - PECVD, Sputtering - Texturización - Química, RIE - Eliminación del PSG o unión parásita Difusión para la formación de la unión p-n: - Horno de difusión, spray + RTP - …

  12. 12/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables Tecnología para módulos de Si cristalino a partir de oblea (89,5% (93,5%) producción mundial a 2006 (2005)) • ISilicio 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. 13/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables Tecnología para módulos de Si cristalino a partir de oblea (89,5% (93,5%) producción mundial a 2006 (2005)) • IISilicio 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. 14/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables 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)

  15. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • La célula solar fotovoltaica: ¿ Cómo aumentar su eficiencia de conversión y/o reducir su coste?

  16. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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)

  17. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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 posteriores 3.- Aumento del aprovechamiento del espectro solar (Tándem)

  18. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • La célula solar: Capacidad de absorción dependiendo de la tecnología y la longitud de onda de la radiación

  19. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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

  20. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Tecnologías de fabricación de células/módulos fotovoltaicos: • Lámina Delgada

  21. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables 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

  22. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables Sustrato: Vidrio, plástico, acero inoxidable, … Limpieza del sustrato Deposición de capa TCO y contacto metálico (Al): - Sputtering - Grabado del TCO y contactos: - Láser, Fotolitografía - Grabado de los contactos de la célula - Láser, Fotolitografía - Célula/módulo FV de lámina delgada Deposición de película absorbente: silicio amorfo- PECVD – o CIS-otras técnicas Deposición de capa TCO y contacto metálico (Ag) - Sputtering -

  23. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables 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

  24. 24/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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. 25/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables Eficiencias de células y módulos de Silicio monocristalino, multicristalino y amorfo de una o varias uniones

  26. 26/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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. 27/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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 Fuente: ** Martin A.Green et al, Progress in Photovoltaics Research and Applications 2007; 15:425-430

  28. 28/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Rendimiento comparativo de células de lámina delgada

  29. 29/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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)** Fuente: **Martin A.Green et al, Progress in Photovoltaics Research and Applications 2007; 15:425-430

  30. 30/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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% (**) Fuente: ** Martin A.Green et al, Progress in Photovoltaics Research and Applications 2007; 15:425-430

  31. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Otros componentes fotovoltaicos: • Módulos • Inversores • Acumuladores • Reguladores • Seguidores

  32. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • El módulo fotovoltaico: ¿ Cómo aumentar su eficiencia de conversión y/o reducir su coste?

  33. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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

  34. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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.

  35. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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?

  36. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Ensayos de la IEC-61215:2005

  37. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Ensayos de diagnóstico • Inspección visual • Funcionamiento eléctrico bajo condiciones estándar (STC) • Ensayos de aislamiento eléctrico Inspección visual Aislamiento eléctrico

  38. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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

  39. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

  40. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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 niebla salina Cámara de UV Cámara climática

  41. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Ensayos mecánicos • Ensayo de carga mecánica • Robustez de terminales • Ensayo de impacto de granizo Carga mecánica Simulación de impacto de granizo

  42. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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. 43/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Evolución del rendimiento y el precio de las distintas tecnologías de producción

  44. 44/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Evolución del rendimiento de las distintas tecnologías de producción de módulos fotovoltaicos Fuente : Photovoltaic Technology Platform (2006)

  45. 7/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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)

  46. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Situación actual de la ESFV • Producción mundial durante los últimos años

  47. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Producción anual de células fotovoltaicas (Fuente: Photon International, 03/2007)

  48. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • Clasificación de los principales fabricantes (Fuente: Photon International, 03/2007)

  49. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables • 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. 50/7 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables 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?

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