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Ana Rosa Lagunas El marco Tecnológico de las Energías Renovables.

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Presentación del tema: "Ana Rosa Lagunas El marco Tecnológico de las Energías Renovables."— Transcripción de la presentación:

1 Ana Rosa Lagunas El marco Tecnológico de las Energías Renovables

2 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

3 ¿Hacia donde van los desarrollos tecnológicos en Energía Solar Fotovoltaica (ESFV)? Favorecer la implantación de la ESFV Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

4 ¿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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

5 ¿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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

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

8 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

10 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) Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

11 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

12 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

13 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

14 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) Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

16 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) Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

17 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) Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

19 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

21 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

22 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

23 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

24 24/7 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: Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

26 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: Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

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

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

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

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

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

33 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

34 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. Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

35 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? Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

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

38 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 TONCSeguidor Solar Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

39 MANUFACTURERMEASURED γ W/K-0.573W/K±0.021W/K P mp 130W128.5W Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

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

42 Ensayos de seguridad eléctrica: IEC No existe como norma UNE todavía Mientras tanto algunos laboratorios han definido unos ensayos de seguridad basados en varias normas internacionales de aplicación: IEC :2004 Apdo. 9 IEC :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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

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

45 7/7 Tecnología de CélulaCostes de fabricación de módulos ($/Wp) Coste/precioCoste/Precio Silicio cristalino Monocristalino 2,50 / 3,752,00 / 2,501,40 / 2,20 Multicristalino 2,40 / 3,551,75 / 2,201,20 / 2,00 Obleas (Si y otros materiales) Cinta de Silicio 2,00 / 3,351,60 / 2,201,00 / 1,70 Si concentración 3,00 / 5,001,50 / 2,501,00 / 1,70 Lámina delgada Silicio amorfo 1,50 / 2,501,25 / 2,000,90 / 1,60 CIS, CIGS 1,50 / 2,501,20 / 2,000,80 / 1,33 CdTe, Scd 1,50 / 2,501,20 / 2,000,80 / 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) Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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

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

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

49 Apuntes sobre producción de células fotovoltaicas a 2006 Crecimiento mantenido desde 1999 superior al 30% Superado 1 GW en 2004, superados 2GW en % 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) Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

50 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? Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

51 51/7 Amenazas y Oportunidades derivadas de la situación actual Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

52 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

53 53/7 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

54 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

55 55/7 Futuro previsible de la Energía Solar Fotovoltaica Producción mundial y Tecnologías Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

56 Distribución por tecnologías de la producción anual de células fotovoltaicas Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables (Source: Photon International, 03/2007)

57 Fuente: EPIA (Septiembre 2004) Evolución prevista de la Producción de Módulos fotovoltaicos/tecnologías (I) Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

58 58/7 Evolución prevista de la producción de módulos fotovoltaicos/tecnologías (II) Fuente : EPIA 2006 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

59 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

60 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

61 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 Investigación y Desarrollos Tecnológicos de las Energías Renovables

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