Carlos del Cañizo Nadal Instituto de Energía Solar...

Carlos del Cañizo NadalInstituto de Energía Solar

Universidad Politécnica de Madrid

La tecnología solar fotovoltaica

Jornada Energía Fotovoltaica: próximos pasosSevilla, 29 de Septiembre de 2009

Introducción

Tecnología de silicio cristalino, del cuarzo al sistema

Aspectos económicos y medioambientales

Alternativas a la tecnología de silicio cristalino

Conclusiones

La industria fotovoltaica

Crecimiento explosivo en los últimos años

Tecnología dominada por silicio cristalino

0100020003000400050006000700080009000

10000

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

Vent

as a

nual

es (M

Wp)

Fabricantes de células solares: los diez mayores (2004)

Fuente: Photon International, March 2005

0 50 100 150 200 250 300 350

Sharp

Kyocera

BP Solar

Mitsubishi

Q-cells

Shell Solar

Sanyo

RWE SS

Isofotón

Motech

Producción en MW (nominal)

Fabricantes de células solares: los diez mayores (2008)

Fuente: Photon International, March 2009

0 100 200 300 400 500 600

Q-cells (A)

First Solar (USA)

Suntech (Ch)

Sharp (J)

JA Solar (Ch)

Kyocera (J)

Yingli (Ch)

Motech (TW)

Sunpower (USA)

Sanyo (J)

Producción en MW (nominal)

Producción por regionesFuente: Photon International, March 2003 & March 2009

Producción 2002

Producción 2008

Japón16%

Alemania18%

China34%

Resto de Europa

7%

EEUU5%

Taiwán12%

Resto8%

España 8%España 2%

Japón44%

Alemania9%

China2%

Resto de Europa

16%

EEUU21%

Taiwán2%

Resto6%

Instalaciones fotovoltaicas por regiones (2008)Fuente: ASIF, 2009

España45%

Alemania27%

EEUU6%

Corea del Sur5%

Italia5%Japón

4%

Resto del mundo

8%Potencia fotovoltaica anual instalada en España

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Pote

ncia

inst

alad

a (M

W)

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008Año

El efecto fotovoltaico

• Los fotones bombean electrones de la banda de valencia a la de conducción

banda de conducción

banda de valencia

Espesor (μm)

Ene

rgía

(eV

)Extracción de electrones

Reinyecciónde electrones

• Contactos apropiados aseguran la entrega de los electrones de la banda de conducción a la carga, y su recuperación por la banda de valencia

Estructuras de células solaresIndustrial

•Sustratos comerciales (“calidad solar”)•Número reducido de pasos del proceso•Metalización por serigrafía

EFICIENCIA ≈ 15%

•Sustrato de muy alta calidad (Float Zone)•Proceso en “sala blanca”•Procesos fotolitográficos•Metalización por evaporación en vacío

EFICIENCIA ≈ 25%

Laboratorio

recibidaluminosaPotenciaentregadaeléctricaPotenciaEficiencia =

ASIF. Informe anual 2008

Silicio grado solar

Silicio grado electrónico/solar

Tecnología FV de silicio cristalino

Horno de arco. Los electrodos tienen 1 m de diámetro

Elkem, en Noruega, es uno de los grandes productores de Si metalúrgico

1 Producción de silicio metalúrgico

SiO2+2C→Si+2CO•Reducción del cuarzo con carbón en horno de arco•Producto: silicio metalúrgico (silicio metal): 98-99% de pureza•La electrónica utiliza una pequeña fracción del Si metal producido, dedicado en su mayor parte a la metalurgia•En España: Ferroatlántica

2 Producción de silicio electrónico (polisilicio)

•Materia prima: Si metalúrgico•Producto: Si electrónico (pureza 99.9999999%)•Consumo de gran cantidad de energía (100-150 kWh/kg)

Si gm

ClH

HCl3Si

SiCl3H H2

Si ge1200 ºC

Reactor delecho fluido

Columnas dedestilación

ReactorSiemens

Triclorosilanoultrapuro

3HCl+Si (gm)→HCl3Si+H2 4HCl3Si+H2 → Si (ge)+3SiCl4+3H2

300 ºC

Reactor de lecho fluidizado

Columnas de destilación

Polisilicio

La amenaza de la escasez de Si

P.

Fath

, 2

00

6

La amenaza de la escasez de Si

•En España: iniciativas en marcha de Isofotón/Endesa, Siliken, FerroSolar,...

Industria electrónica

Si-ge

Industria PV

Si-gs

Si-ge exc

Si-gmm

Si-gm

<2€ <15€ 15-30€ 70€

0,1%

0,01%

ppm

ppb

pptSi-gm: grado metalúrgico (0.1%)Si-gmm: grado metalúrgico mejorado (0,01%)Si-gs: grado solar (<ppm)Si-ge: grado electrónico (ppb-ppt)Si-ge exc.: excedente ge (~ppb)

Ruta clásicaCon

cent

raci

ón d

e im

pure

zas

Coste (€/kg)

sog-Sibaja calidad

sog-Sialta calidad

Industria electrónica

Si-ge

Industria PV

Si-gs

Si-ge exc

Si-gmm

Si-gm

<2€ <15€ 15-30€ 70€

0,1%

0,01%

ppm

ppb

pptSi-gm: grado metalúrgico (0.1%)Si-gmm: grado metalúrgico mejorado (0,01%)Si-gs: grado solar (<ppm)Si-ge: grado electrónico (ppb-ppt)Si-ge exc.: excedente ge (~ppb)

Ruta clásicaCon

cent

raci

ón d

e im

pure

zas

Coste (€/kg)

sog-Sibaja calidad

sog-Sialta calidad

Investigación para purificar silicio a partir de clorosilanos

Compañía participada por UPM (29.5%), UCM (19.5%), Isofotón (17%), Técnicas Reunidas (17%), DCWafers (17%)

CENTESIL: CENTRO DE TECNOLOGÍA DEL SILICIO SOLARPlanta piloto de polisilicio (50-100 t/a) en el Parque UPM en Getafe

3 Cristalización

Crisol

Si (ge)

Si líquido

Calor Si fundido(≅1500ºC)

Xtal Si

Enfriamiento muy lento de Si fundidoCrecimiento

monocristalinoCrecimiento

multicristalino

Lingote monocristalino Bloque Si mc cortado en lingotes

4 Fabricación de obleas

Lingotes

Abrasivo

Hilo

Sierra multihilo

Pérdidas de material de casi el 50%

0.2 mm

•Lingotes y obleas en España: Silicio Solar (mono), DCWafers (multi)

0.2 mm

Obleas 156 cm2 tipo p (B 1016 cm-3)

Limpieza

Limpieza

Difusión de fósforo

Tipo n 1020 cm-30.4 μm

O2N2 N2

POCl3

Horno de difusión

Resistencias

Resistencias

O2N2 N2

POCl3

Horno de difusión

Resistencias

Resistencias

900 ºC, 1/2 h

5 Fabricación de células (I)

Limpieza inicial y decapado

NaOH

Textura1 μm

Baño NaOH85 ºC

R≅30%

R≅10%

Medida y clasificación

5 Fabricación de células (II)

Ataque de bordes

Ataquede plasma

Contacto posteriorDepósito serigráficode pasta conductoraQuemado horno IR(800ºC,10 min)

Pasta conductoraCélula

Contacto frontal100μm10μm

Capa anti-reflectante

CVDTiO2

λ R≅30%CARn ≅ 2;nd ≅ λ/4

R≅10%

Factoría de Scanwafer (Noruega)

Tubos de difusión

Horno de cinta para quemado de pasta

Serigrafiadora automática

Formación de cadenas

+

-Matriz de células

6 Fabricación de módulos (I)

Encintado

Cinta de Cu/Sn

Conexión automática de células

6 Fabricación de módulos (II)

Laminación

Marco y caja de conexiones Laminadora

Composición del laminado

Vidrio

E.V.A.

E.V.A.

Matriz

Plástico o vidrio

Laminación:

Presión a 100ºC + Curado a 150ºC:

El EVA fluye, embebiendo completamente las células, se vuelve transparente y solidifica

•En España: Células y módulos: Isofotón, (BP Solar),...Módulos: Atersa, Solaria,...

Acumulador

Acondicionamientode potencia

GeneradorFotovoltaico

GeneradorAuxiliar

CargasDC

CargasAC

Instalaciones aisladas

Solar Home System

Abastecimiento de agua

Residencial aislado

Edificios conectados a la red

Acondicionamientode potencia

GeneradorFotovoltaico

Red eléctrica

Instituto Energía Solar

Tudela (1.2 MWp)

Plantas fotovoltaicas

PV Toledo, 1 MWp

500 kWp Euclides©,

Tenerife

Algunos equipos Baterías

Reguladores de carga

Inversores

Distribución mundial del mercado fotovoltaico(2007)

Fuente: EPIA/Greenpeace, 2008Remoto

industrial4%

Productos de consumo

1%

Conexión a la red90%

Remoto viviendas

5%

Tiempo de recuperación energéticaEnergy Pay Back Time (EPBT):

tiempo que el sistema fotovoltaico necesita para producir la energía que se invirtió en su fabricación.

añounenproducidaEnergíainvertidaEnergíaEPBT =

Fuente: E. Alsem

a, 21st European PV

Conference, D

resde, 2006

Coste

Descenso continuado del coste del WpPara competir con fuentes convencionales, se ha de reducir al menos 3-4 veces

La oblea de silicio pesa hasta un 40% en el módulo ... pero el módulo es sólo una parte del sistema final (aproximadamente, el 50%)

1987

1981

2001

1983

1990

1976

1

10

100

0 1 10 100 1000 10000

cumulative module shipments [MWp]

Price of Power Modules (2001 $)

Estimate 1976 - 2001: PR = 80.0 ±0.4%

Estimate 1987 - 2001: PR = 77.0 ±1.5%

1987

1981

2001

1983

1990

1976

1

10

100

0 1 10 100 1000 10000

cumulative module shipments [MWp]

Price of Power Modules (2001 $)

Estimate 1976 - 2001: PR = 80.0 ±0.4%

Estimate 1987 - 2001: PR = 77.0 ±1.5%Pre

cio

de m

ódul

o (€

/Wp)

Venta acumulada de módulos (MWp) Fuente: EU FP5 Photex project

2.15 €/WpPolisilicio

14%

Cristalización9%

Corte11%

Fabricación células

28%

Encapsulado38%

Datos de 2005

0.360.28

1.14

0.430.35

0

1

2

3

Cos

t (€/

Wp) Equipo

PersonalMaterialPérdidasFijos

Reduciendo el coste del módulo

> 2.5 €/Wp

2.5-2.3 €/Wp

2.3-2.1 €/Wp

2.1-1.9 €/Wp

1.9-1.76 €/Wp

< 1.76 €/Wp

0.8 0.9 1.0 1.1 1.20

20

40

60

80Fe

edst

ock

cost

(€/k

g)

Relative efficiency(η/η0)

- Reduciendo el coste del polisilicio un 55%, el coste total del módulo se reduce un 6%

- Reduciendo el consumo de silicio en el corte un 25%, el coste total del módulo se reduce un 7%

- Aumentando la eficiencia de las células un 8%, el coste total del módulo se reduce un 8%

16.7%advancedfront to rear

mc-Si120 μm

Multistar

16.0%advancedfront & rear

umg Si + epi120 µm + 20 μmEpi.C

16.0%Metall Wrap-Through (MWT)

ribbon Si120 μm

Ribbonchamp

18.5%Emitter Wrap-Through (EWT)

Cz-Si120 μm

SuperslicE

18.7%advancedfront to rear

Cz-Si120 μm

Superslice

17.0%Metall Wrap-Through (MWT)

mc-Si120 μm

MultistaR

15.8%standardfront to rear

mc-Si180 μm

Adv.Basepower (Reference)

Encapsulated cell efficiency

Cell & module conceptWafer

16.7%advancedfront to rear

mc-Si120 μm

Multistar

16.0%advancedfront & rear

umg Si + epi120 µm + 20 μmEpi.C

16.0%Metall Wrap-Through (MWT)

ribbon Si120 μm

Ribbonchamp

18.5%Emitter Wrap-Through (EWT)

Cz-Si120 μm

SuperslicE

18.7%advancedfront to rear

Cz-Si120 μm

Superslice

17.0%Metall Wrap-Through (MWT)

mc-Si120 μm

MultistaR

15.8%standardfront to rear

mc-Si180 μm

Adv.Basepower (Reference)

Encapsulated cell efficiency

Cell & module conceptWafer

Tecnologías avanzadas de silicio • Combinando desarrollos tecnológicos con producción a gran

escala (500 MWp – 1 GWp / a)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

Advance

d Bas

epower

Multistar

MultistaR

Superslic

eSupers

licE

Ribboncham

pEpi.C

Cos

t (€/

Wp)

Module assemblyCell processSilicon wafer

Otras tecnologías: Capas delgadasLa mayor parte de la luz se absorbe en una capa de unas pocas micras (dependiendo del material): posibilidad de AHORRO

Fabricación integral del módulo: las capas se depositan e interconectan sobre un sustrato (el propio vidrio, a menudo)

CdS/CdTe,CISSi amorfoBaja eficiencia Escasez y toxicidad de los materiales

•En España: T-Solar Global

Vidrio

Electrodo transparente

MetalSi amorfo

Conexión serie

Luz

1μm

Otras tecnologías: concentración FV con Si

•En España: Guascor Fotón25 kW250 soles

lente

célula

1.000 soles = 1 MW/m2

Célula de AsGa∼30% a 1000 soles

espejo

espejo

Disipador

Concentrador óptico

10 cm

3 cm

Otras tecnologías: concentración FV con AsGa

•En España: Isofotón, Sol3g,...

Otras tecnologías: Células de tercera generación

Límite teórico: η=86,3%

E

xAnchos de banda

• Células tándem

Tres unionesη=40,2%

CB

VB

εFI

εG

εGE

εFC

εFV

εGE

IBμCI

μCVμIV

• La célula solar de banda intermedia

Células de tercera generación (2)

Límite de eficiencia: 63,3%

2005PV electricity pricePV electricity price((€€ / kWh)/ kWh)

0.500.50

0.360.36

0.420.42

0.310.31

0.280.28

Comparación deprecios de electricidad FV *) conprecios finales de electricidad típicos

consumer electricity priceconsumer electricity price((€€ / kWh)/ kWh)

0.140.140.160.16

0.160.16

0.200.20

0.100.10

0.220.22

0.120.12

0.110.11

competitividad

*) depreciación 25 años, tasa de interés 4%, costes O&M 1%/año,PR 0.75

Cortesía de Wim Sinke, ECN

Energía solar fotovoltaica: hacia la competitividad

2010PV electricity pricePV electricity price((€€ / kWh)/ kWh)

0.350.35

0.250.25

0.290.29

0.220.22

0.190.19

Comparación deprecios de electricidad FV conprecios finales de electricidad esperados (+ 1%/yr)

consumer electricity priceconsumer electricity price((€€ / kWh)/ kWh)

0.150.150.170.17

0.170.17

0.210.21

0.110.11

0.230.23

0.130.13

0.110.11

Energía solar fotovoltaica: hacia la competitividad

Cortesía de Wim Sinke, ECN

2015PV electricity pricePV electricity price((€€ / kWh)/ kWh)

0.250.25

0.180.18

0.210.21

0.160.16

0.140.14

consumer electricity priceconsumer electricity price((€€ / kWh)/ kWh)

0.160.160.180.18

0.180.18

0.220.22

0.110.11

0.240.24

0.130.13

0.120.12

Energía solar fotovoltaica: hacia la competitividad

Comparación deprecios de electricidad FV conprecios finales de electricidad esperados (+ 1%/yr)

Cortesía de Wim Sinke, ECN

2020PV electricity pricePV electricity price((€€ / kWh)/ kWh)

0.200.20

0.140.14

0.170.17

0.130.13

0.110.11

consumer electricity priceconsumer electricity price((€€ / kWh)/ kWh)

0.160.160.190.19

0.190.19

0.230.23

0.120.12

0.260.26

0.140.14

0.120.12Comparación deprecios de electricidad FV conprecios finales de electricidad esperados (+ 1%/yr)

Energía solar fotovoltaica: hacia la competitividad

Cortesía de Wim Sinke, ECN

Conclusiones

•La tecnología de silicio domina hoy por hoy la industria fotovoltaica

•Los fabricantes eligen la estructura del dispositivo basándose en compromisos entre la eficiencia alcanzable y los costes de fabricación

•El coste de la oblea de silicio supone un 40% coste total del módulo

•Con la tecnología actual, la energía invertida en la fabricación de un módulo se puede recuperar en menos de cuatro años en Europa Central, dos años en Europa del Sur

•La energía solar fotovoltaica podrá empezar a ser competitiva en pocos años

•Se están desarrollando nuevos conceptos tecnológicos que pueden abaratar de forma importante esta fuente de energía