JULIO 2015 Facultad de Fisica UH CONFERENCIA 2 Módulo FV Módulo FV.

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1 JULIO 2015 Facultad de Fisica UH stolik@imre.oc.uh.cu dstolik@fisica.uh.cu CONFERENCIA 2 Módulo FV Módulo FV

2 Conferencia 2 Aspecto multidisciplinario El sistema FV. La celda FV Tipos de celdas. Eficiencias Producciones, evolución. Costos El silicio Lideres.

3 + MÓDULO BOS INVERSIÓN INICIAL GASTOS POSTERIORES OTROS OBRA CIVIL CABLEADO ESTRUCTURA INVERSOR SALARIOS OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DEPRECIACIÓN El Sistema FV + Tener en cuenta los costos FV en próximos años 12 GRAN PROBLEMA Se abaratan Gran parte de labor COSTO DE CAPITAL, CRÉDITOS, TASAS DE INTERES + En 25 años Instalación stolik@imre.oc.uh.custolik@imre.oc.uh.cu dstolik@fisica.uh.cudstolik@fisica.uh.cu Sabemos hacerlo Una parte se importa Otra se hace en el país

4 ¿Hasta donde puede llegar la FV? Estabilidad de la red en tensión y frecuencia. Inversores: inyección de potencia reactiva. Almacenamiento de energía eléctrica. Redes y microredes inteligentes. Curvas de carga “fatales” 29 Nuevos problemas donde incursiona la física Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH

5 AUMENTO MULTIDISCIPLINARIO EN LA FV FÍSICOS CELDAS FV QUÍMICOS ALMACENAMIENTO ING.ELÉCTRICOS RED ELÉCTRICA ING. ESTRUCTURAS RESISTENCIAS MECÁNICAS ECONOMISTAS COSTOS DE CAPITAL ING.ELECTRÓNICOS INVERSORES FV INFORMÁTICOS COMUNICACIONES AUTOMAT. METEORÓLOGOS PRONÓSTICO DE CORTO PLAZO ARQUITECTOS FACHADAS DE EDIFICIOS ENTRE OTROS

6 física del Estado Sólido. teoría electrónica de sólidos. física de los semiconductores. física de los dispositivos semiconductores. El dispositivo FV, aparentemente sencillo, es un sistema físico complejo donde coinciden innumerables conceptos y parámetros físicos, sobre todo de: La celda FV

7 DIELÉCTRICOS, METALES, SEMICONDUCTORES. MECÁNICA CUÁNTICA; TEORIA DE BANDAS. PORTADORES: ELECTRONES Y HUECOS FÍSICA ESTADÍSTICA : CONCENTRACIÓN DE PORTADORES. SEMICONDUCTOR PURO: INTRÍNSECO. NIVELES DE FERMI. SC TIPOS p y n: PORTADORES MAYORITARIOS Y MINORITARIOS. GENERACION, PORTADORES EN EXCESO. CAMPO ELÉCTRICO INTERNO: JUNTURA o UNION p-n. LONGITUD DE DIFUSIÓN. IMPUREZAS, DEFECTOS: RECOMBINACIÓN DE PORTADORES. 3 EL SOL Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH Bases físicas del dispositivo FV

8 Ecuación de Poisson: Las dos ecuaciones de transporte de portadores: Ecuación de continuidad para ambos portadores:

9 ¿POR CUAL TECNOLOGÍA APOSTAR? EL CORAZON DE LA ENERGÍA FV ES LA CELDA FV Los materiales que se utilizan en la celda depende del tipo de celda y tecnología en un marco de diferentes alternativas. 17 D. Stolik LA CELDA FV

10 Si poly Si mono Si cinta Si amorfo Cd TeCISG III-V DyeOrgánicas Otras Nanotecnológicas Silicio cristalino Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH 18 Celdas FV mas importantes

11 Hasta hoy el material semiconductor mas importante de la industria FV ha sido el Silicio A pesar de tener transiciones indirectas en la banda prohibida y un pico de absorción algo menos conveniente que el de otros SC. ¿Por qué? 5

12 EFICIENCIAS RECORDS CELDAS DE LABORATORIO EN 38 AÑOS 9 Si mono Cd Te CIS Si-a

13 Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH 11 2009, japones Tsutomu Miyasaka 3.8% 2011, coreano Nam-Gyu Park, 6.5% 2012 ingles Michael Grätzel, 12.3%. 2014 coreano Il Seok 16.2% 17.9 Perovskita

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15 The band gap of perovskites can be adjusted by changing their compositions to access different parts of the sun's spectrum. Credit: Dennis Schroeder

16 NREL Senior Scientist Kai Zhu applies a perovskite precursor solution to make a perovskite film. Credit: Dennis Schroeder

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18 III-V GaAs 3 junturasc44.4 % “ 3 “ 37.9 % “ 2 “c34.1 % “ 2 “31.1 % “ 1 juntura26.4 % Si-c monoheterojunturac27.6 % Si-c mono25.0 % Si-c multi20.4 % Si-c capa delgada20.1 % CIGS20.8 % Cd -Te20.4 % Si–a amorfo13.4 % Perovskita16.2 % DYE sensibilizadas11.9 % Orgánicas11.1 % Quantum dots8.6 % EFICIENCIAS RECORDS CELDAS DE LABORATORIO 2013 Resto 0.5 % 91.8 % Producción industrial hoy % Producción industrial hoy 7.7 % 29.8 % 62 % 1.9 % 3.9 % 1.9 % Dr. Daniel Stolik 9 In Ga P 1.82 eV In Ga As 1.40 eV Ge 0.65 eV

19 DIFERENCIA ENTRE LABORATORIO E INDUSTRIA. LABORATORIO: Producciones ínfimas. No importa el tiempo utilizado. Procesos por lotes (BATCH). No importa el número de pasos. Áreas muy pequeñas. Poco material. Pueden salir mal muchas veces. D. Stolik 20 INDUSTRIA: Producciones masivas. El tiempo utilizado es fundamental. Procesos continuos automatizados. Mínimo de pasos de producción. Áreas mientras mas extensas mejor. Mucho material (economía de escala). Es determinante que salgan bien (yield). LAS PLANTAS PILOTOS

20 EL SALTO DEL Cd Te 2006 181 MW 2007 400 MW 2010 > 1400 MW 2011 > 2000 MW 5 BAJA LIGERAMENTE EN EL 2012……………..

21 EL SALTO DEL CIS/G 2009 180 MW 2010 439 MW 2011 1285 MW 6

22 D. Stolik Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH 4 Celda FV SILICIO

23 LA PRODUCCION DE Si sog GALOPA. 1980 40 1990 800. 2001 2 000 2007 30 000 2009 92 000. 2010 145 000 FV (20 %) TONELADAS. 2014 260 000 FV (80 %) FV (98 %) 14 Si sog

24 Reactores Siemens De > 200 kWh / kg ANTES a 35 - 50 kWh / kg HOY Si puro Gasto eléctrico Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH 16

25 En 2008 llegó a > $ 400.00 USD/kg. Hoy $17.00 USD/kg. Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH 15 pureza grado solar: El SILÍCIO

26 OBLEA POLICRISTALINAD SILICIO Disminución del espesor : De 350 mm a 160 mm Para el 2020 el espesor será de unos 100  m 17 Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH

27 Disminuye la cantidad de silicio por celda De mas de 13 g / Wp A pasado a : 7 g / Wp Y continúa disminuyendo CELDAS DE Si CRISTALINO 21 X 21 cm. Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH 18

28 Costo Wp en silicio y obleas de los módulos FV de Si-c $0.60/W $0.20/W $0.37/W $0.23/W $0.12/W $0.08/W POLISILICIO PROCESAMIENTO DE OBLEAS DISMINUCIÓN EN 6 AÑOS 2008 2014 2013 2012 2011 2010 2009 $0.00 $0.10 $0.20 $0.40 $0.50 $0.60 $0.70 Dr. Daniel Stolik Prof. Titular. FF- UH, Consultoría FV - IMRE-UH

29 1983 10 MW 1997 100 MW 2004 1 000 MW 2009 10 000 MW 2017 100 000 1 MW 1978 5 años 14 años 7 años 5 años 8 años MWp / año 18 % 59 % 30 % Stolik La FV en 35 años 1 10 100 1000 10000 100 000 1971 años ANUAL 39 % Producción mundial Celdas FV. Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH 11

30 2005 20 % 15 % 10 % 5 % 0 % 2009 20132017 16 % 9 % 7 % Producción % de celdas en capas delgadas Si amorfo 13 Dr. Daniel Stolik Prof. Titular. FF- UH, Consultoría FV - IMRE-UH Cd Te CIGS

31 Producción mundial Celdas FV industriales SUPERESPECTACULAR INCREMENTO ANUAL DE CELDAS FV 2000200120022003200420052006200720082009201020112012 2874015607501256181525364279791012500272003500038500 47403934684540698556118 95 veces 3010 % Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH Y continuará aumentando en Mw. 12 2014 50 000

32 EL PRECIO DEL Wp en USD de la CELDA SOLAR CAYÓ 250 VECES DE $76.00 USD/Wp en 1977 a $ 0.30 USD/Wp en 2015 Fuente Bloomberg New Energy & pv.energytrend.com HOY LA CELDA FV CONSTITUYE APROXIMADAMENTE UN 10 % DEL COSTO FINAL DEL SISTEMA FV 9 DISMINUCION DE COSTOS DE LA CELDA SOLAR

33 %1999200920102011 2014 Si mono Si multi Si-C CdTe CISG Si-a C.D. TOTAL PRODUCCIÓN en % POR TIPO de CELDAS Dr. Daniel Stolik Prof. Titular. FF- UH, Consultoría FV - IMRE-UH 37,4 34,133.2 30.929.8 42,146,952.957 62 79.581.086.187.991.8 0.595.35.53.9 0,21,71.62.4 1.9 12,3 6,15 3.4 1.9 13 16.8 11.911.3 7.7 92.5 97.89899.299.5 200 12 500 27 200 35 500 50 000 MW

34 Primeras 10 empresas de celdas FV en 2013 2013 1YingliChina 2JA SolarChina 3TrinaChina 4Neo SolarTaiwan 5First Solar.EEUU 6MotechTaiwan 7JinkoChina 8GintechTaiwan 9CSIChina 10Hareon SolarChina 6 son Chinas

35 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 CAPAS DELGADAS Si-a-µc-Si CIGS CdTe SILICIO CRISTALINO Si-C Multi EF tipo p Si-C Multi tipo p Si-C Mono EF tipo p Si-C Mono tipo p Si-C Premium tipo n 8 %8 % 92 % Si-C Multi EF EF – Mayor eficiencia MODULOS FV Multi EF 17 - 19 % Mono EF 20 - 22 % 100 % 0% 50 % 25 % 75 % 56 % 22 % EF 19 % CAPAS DELGADAS SILICIO MULTI SILICIO MONO Si-C Multi Si-C MONO EF Si-C MONO Si-C MONO STANDARD y PREMIUM EF 21 % 11 PASIVACION POSTERIOR EMISORES SELECTIVOS SERIGRAFÍA DOBLE IMPLANTACION IONICA CONTACTOS POSTERIORES 1918 stolik@imre.oc.uh.custolik@imre.oc.uh.cu dstolik@fisica.uh.cudstolik@fisica.uh.cu

36 2.45 m EL SILICIO HA PUESTO EL “LISTON” DIFICIL COMO EL SOTO TREMENDA COMPETENCIA ALTURA vs. ABARATAMIENTO 10 Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH

37 MAÑANA Conferencia 3 El modulo FV Componentes Eva, tedlar, vidrio, aluminio, sellantes. Industria El Wp Producciones Costos El resto del sistema, inversores, estructuras.

38 GRACIAS

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41 La energía FV: ventajas y desventajas. Escenarios actuales. Contradicciones. Costos. El sistema FV. Tipos de celdas FV. Comparaciones. Eficencias. Retos. Tecnología del silicio. Silicio grado solar. El módulo FV. El resto del sistema FV. Aplicaciones FV. Desarrollo mundial de la FV. La FV y las redes eléctricas: perspectivas. Fortalezas y barreras para el desarrollo de la FV en Cuba. Estrategias: productiva y científico-técnica. Las investigaciones FV. Proyecto del Lab. Nacional

42 20 RAZONES DEL SILICIO EN FV 1.ES SUPER ABUNDANTE EN EL PLANETA 2.LA PRODUCCION DE SI SOG GALOPA. 3.DISMINUYE EL GASTO ELÉCTRICO PARA OBTENER 1 Kg DE SILICIO PURO. 4.DISMINUYE EL PRECIO DEL SI SOG (material). 5.DISMINUYE EL ESPESOR DE LAS OBLEAS DE SILICIO. 6.DISMINUYE LA CANTIDAD DE GRAMOS DE SILICIO POR CELDA 7.LAS MAYORES INVERSIONES EN FÁBRICAS DE SILICIO, CELDAS Y PANELES 8.MENOR DIFERENCIA ENTRE CELDAS DE LABORATORIO VS INDUSTRIA. 9.EN AMBAS (LAB. E IND.) CONTINUA LA I+D DEL SILICIO 10.CONTINUA SU EVOLUCIÓN TECNOLOGICA VS OTROS TIPOS DE CELDAS 11.LA MAYOR EFICIENCIA INDUSTRIAL DE TODOS LOS TIPOS DE CELDA 12.TECNOLOGÍA MAS MADURA. 92 % es SI-C 13.CONTINUA EL AUMENTO DE LA EFICIENCIA DE LAS CELDAS A > 20%. 14.LA NANOTECNOLOGÍA PUEDE MEJORAR LAS CELDAS DE Si-C 15.GRAN ACCESIBILIDAD INDUSTRIAL DE LA CELDA FV DE SILICIO 16.SE PERFECCIONA LA AUTOMATIZACIÖN INDUSTRIAL DE LA CELDA DE SI 17.LIDERA LA PRODUCCION DE ULTIMOS 10 AÑOS % POR TIPOS DE CELDAS. 18.LAS DE Si CONFORMAN LOS MÓDULOS MAS DURADEROS. 19.EL RECICLAJE (SILICIO PURO, VIDRIO, ETC.,NO TOXICO) 20.CONTINUARÁ LA DISMINUCIÓN DEL COSTO EL Wp D. Stolik

43 LA CELDA FV de Silicio (Si-C) 2Horno de arco PurificaciónSiliciometalúrgicoDeposición Si puro sólido Crecimientocristalino Corte en obleasProcesamientofinal CELDA Pureza 99.999999 % 400 300 200 100 USD/ kg $ 475$ 17 28 veces 2013 2008 2004 2014 2006 2008 2010 2012 TONELADAS 2 000 2 001 350 000 2 014 PRECIO stolik@imre.oc.uh.custolik@imre.oc.uh.cu dstolik@fisica.uh.cudstolik@fisica.uh.cu

44 44.4 % AsGa + … 27.6 % Si-c mono concentración 25 % Si-c mono 20.4 % Si-c poly 20.8 % CISG 20.4 % CdTe 13.4 % Si-a 11% Dye sensibilizadas 6% Orgánicas D. Stolik CdTe CIGS Si:a EFICIENCIAS RECORDS DE LABORATORIO HOY 19 26.4 % AsGa

45 199920092014 PRODUCCIÓN en % POR TIPO de CELDAS 37,4 34,1 42,146,962 79.5 81.091.8 0.593.9 0,2 1,7 1.9 12,36,1 1.9 13 16.8 7.7 92.597.899.5 200 MW 12 500 MW 48 000 MW 29.8 10 % Si mono Si multi Si-C CdTe CISG Si-a Capas Delgadas TOTAL % + = + + = Si-C PREDOMINIO stolik@imre.oc.uh.custolik@imre.oc.uh.cu dstolik@fisica.uh.cudstolik@fisica.uh.cu