La tecnología solar fotovoltaica

La tecnología solar fotovoltaica
Carlos del Cañizo Nadal
Instituto de Energía Solar
Universidad Politécnica de Madrid
Jornada Energía Fotovoltaica: próximos pasos
Sevilla, 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
10000
Crecimiento explosivo
en los últimos años
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
Tecnología dominada
por silicio cristalino
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
0
1990
Ventas anuales (MWp)
9000
Fabricantes de células solares: los diez mayores
(2004)
Fuente: Photon International, March 2005
Producción en MW (nominal)
0
Sharp
Kyocera
BP Solar
Mitsubishi
Q-cells
Shell Solar
Sanyo
RWE SS
Isofotón
Motech
50
100
150
200
250
300
350
Fabricantes de células solares: los diez mayores
(2008)
Fuente: Photon Producción
International,
March
2009
en MW
(nominal)
0
Q-cells (A)
First Solar (USA)
Suntech (Ch)
Sharp (J)
JA Solar (Ch)
Kyocera (J)
Yingli (Ch)
Motech (TW)
Sunpower (USA)
Sanyo (J)
100
200
300
400
500
600
Producción por regiones
Fuente: Photon International, March 2003 & March 2009
Resto
6%
Taiwán
2%
EEUU
21%
Japón
44%
Resto
8%
Taiwán
12%
Resto de
Europa
16%
China Alemania
2%
9%
Producción 2002
Japón
16%
EEUU
5%
Alemania
18%
Resto de
Europa
7%
España 8%
España 2%
China
34%
Producción 2008
Instalaciones fotovoltaicas por regiones (2008)
Fuente: ASIF, 2009
EEUU
6%
Corea del Sur
5%
Alemania
27%
Italia
5%
Japón
4%
3000
Potencia fotovoltaica anual instalada en España
2500
Potencia instalada (MW)
España
45%
Resto del
mundo
8%
2000
1500
1000
500
0
2001
2002
2003
2004
2005
Año
2006
2007
2008
El efecto fotovoltaico
Energía (eV)
Extracción de
electrones
\
banda de conducción
Reinyección
de electrones
banda de valencia
Espesor (μm)
•
•
Los fotones bombean electrones de la banda de valencia a la de conducción
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 solares
Industrial
•Sustratos comerciales (“calidad
solar”)
•Número reducido de pasos del
proceso
•Metalización por serigrafía
EFICIENCIA ≈ 15%
Eficiencia =
Laboratorio
•Sustrato de muy alta calidad (Float
Zone)
•Proceso en “sala blanca”
•Procesos fotolitográficos
•Metalización por evaporación en
vacío
Potencia eléctrica EFICIENCIA
entregada
≈ 25%
Potencia luminosa recibida
Tecnología FV de silicio cristalino
Silicio grado solar
Silicio grado
electrónico/solar
ASIF. Informe anual 2008
1 Producción de silicio metalúrgico
Horno de arco. Los electrodos tienen 1 m de
diámetro
Elkem, en Noruega, es uno de los grandes
productores de Si metalúrgico
•Reducción del cuarzo con carbón en horno de arco SiO2+2C→Si+2CO
•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)
Reactor de
lecho fluido
Columnas de
destilación
Reactor
Siemens
HCl3Si
Si gm
300 ºC
1200 ºC
Si ge
ClH
SiCl3H
H2
Triclorosilano
ultrapuro
3HCl+Si (gm)→HCl3Si+H2
4HCl3Si+H2 → Si (ge)+3SiCl4+3H2
•Materia prima: Si metalúrgico
•Producto: Si electrónico (pureza 99.9999999%)
•Consumo de gran cantidad de energía (100-150 kWh/kg)
Reactor de lecho fluidizado
Polisilicio
Columnas de destilación
P. Fath, 2006
La amenaza de la escasez de Si
La amenaza de la escasez de Si
Concentración de impurezas
ppt
Si-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)
Industria electrónica
Si -ge
ppb
Industria PV
sog-Si
Si-ge exc
alta calidad
sog-Si
Si-gs
baja calidad
ppm
Ruta clásica
0,01%
0,1%
Si-gmm
Si-gm
<2€
<15€
15-30€
70€
Coste (€/kg)
•En España: iniciativas en marcha de Isofotón/Endesa, Siliken, FerroSolar,...
Investigación para purificar silicio a partir de clorosilanos
CENTESIL: CENTRO DE TECNOLOGÍA DEL SILICIO SOLAR
Planta piloto de polisilicio (50-100 t/a) en el Parque UPM en Getafe
Compañía
participada por
UPM (29.5%),
UCM (19.5%),
Isofotón (17%),
Técnicas
Reunidas (17%),
DCWafers (17%)
3 Cristalización
Si (ge)
Enfriamiento muy lento de Si fundido
Crecimiento
monocristalino
Crisol
Calor
Si líquido
Crecimiento
multicristalino
Xtal Si
Si fundido
(≅1500ºC)
Lingote monocristalino Bloque Si mc cortado en lingotes
4 Fabricación de obleas
Sierra multihilo
Abrasivo
Hilo
Lingotes
Pérdidas de
material de
casi el 50%
0.2 mm
•Lingotes y obleas en España: Silicio Solar (mono), DCWafers (multi)
5 Fabricación de células (I)
Obleas 156 cm2 tipo p (B 1016 cm-3)
0.2 mm
R≅30%
Limpieza inicial y decapado
R≅10%
NaOH
1 μm
Textura
N2 N2
O2
Baño NaOH
85 ºC
Resistencias
Horno de difusión
Limpieza
Difusión de fósforo
0.4 μm
Tipo n 1020 cm-3
Limpieza
Resistencias
900 ºC, 1/2 h
POCl3
5 Fabricación de células (II)
R≅10%
Capa anti-reflectante
CVD
TiO2
Contacto posterior
λ
R≅30%
CAR
n ≅ 2;nd ≅ λ/4
Depósito serigráfico
de pasta conductora
Quemado horno IR
(800ºC,10 min)
Contacto frontal
100μm
10μm
Ataque de bordes
Ataque
de plasma
Medida y clasificación
Célula
Pasta conductora
Serigrafiadora
automática
Horno de cinta para
quemado de pasta
Tubos de difusión
Factoría de Scanwafer (Noruega)
6 Fabricación de módulos (I)
Encintado
Cinta de Cu/Sn
Formación de cadenas
Matriz de células
+
Conexión automática de células
6 Fabricación de módulos (II)
Composición del laminado
Vidrio
Laminación:
E.V.A.
Presión a 100ºC + Curado a 150ºC:
Matriz
El EVA fluye, embebiendo
completamente las células, se
vuelve transparente y solidifica
E.V.A.
Plástico
o vidrio
Laminación
Marco y caja de conexiones
•En España:
Células y módulos: Isofotón, (BP Solar),...
Módulos: Atersa, Solaria,...
Laminadora
Instalaciones aisladas
Generador
Fotovoltaico
Acondicionamiento
de potencia
Cargas
DC
Cargas
AC
Generador
Auxiliar
Acumulador
Abastecimiento de agua
Solar Home
System
Residencial aislado
Edificios conectados a la red
Generador
Fotovoltaico
Acondicionamiento
de potencia
Red
eléctrica
Instituto Energía Solar
Plantas fotovoltaicas
Tudela (1.2 MWp)
PV Toledo, 1 MWp
500 kWp Euclides©,
Tenerife
Baterías
Algunos equipos
Reguladores de carga
Inversores
Distribución mundial del mercado fotovoltaico
(2007)
Fuente: EPIA/Greenpeace, 2008
Productos de
Remoto
Remoto
consumo
viviendas industrial
1%
4%
5%
Conexión a la
red
90%
Tiempo de recuperación
Energy Pay Back Time (EPBT):
energética
Energía invertida
tiempo que el sistema fotovoltaico
necesita para producir la energía que
se invirtió en su fabricación.
EPBT =
Energía producida en un año
Fuente: E. Alsema, 21st European PV Conference, Dresde, 2006
Coste
100
1976
Precio de módulo
(€/Wp)
1983
1990
10
Descenso continuado del coste del Wp
Para competir con fuentes
convencionales, se ha de reducir al
menos 3-4 veces
1981
1987
2001
Price of Power Modules (2001 $)
Estimate 1976 - 2001: PR = 80.0 ± 0.4%
Estimate 1987 - 2001: PR = 77.0 ± 1.5%
1
0
1
10
100
1000
10000
modulede
shipments
[MWp] (MWp)
Venta cumulative
acumulada
módulos
Fuente: EU FP5 Photex project
Datos de 2005
2.15 €/Wp
3
Polisilicio
14%
Encapsulado
38%
Corte
11%
Fabricación
células
28%
0.35
Cost (€/Wp)
Cristalización
9%
2
1
0
0.43
1.14
0.28
0.36
Equipo
Personal
Material
Pérdidas
Fijos
La oblea de silicio pesa hasta un 40% en el módulo ... pero el módulo es sólo una parte del
sistema final (aproximadamente, el 50%)
Reduciendo el coste del módulo
80
Feedstock cost (€/kg)
> 2.5 €/Wp
60
2.5-2.3 €/Wp
2.3-2.1 €/Wp
40
2.1-1.9 €/Wp
1.9-1.76 €/Wp
20
< 1.76 €/Wp
0
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
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%
Tecnologías avanzadas de silicio
• Combinando desarrollos tecnológicos con producción a gran
escala (500 MWp – 1 GWp / a)
Wafer
Cell & module
concept
Encapsulated
cell efficiency
mc-Si
180 μm
standard
front to rear
15.8%
Multistar
mc-Si
120 μm
advanced
front to rear
16.7%
MultistaR
mc-Si
120 μm
Metall WrapThrough (MWT)
17.0%
Superslice
Cz-Si
120 μm
advanced
front to rear
18.7%
SuperslicE
Cz-Si
120 μm
Emitter WrapThrough (EWT)
18.5%
ribbon Si
120 μm
Metall WrapThrough (MWT)
16.0%
umg Si + epi
120 µm + 20 μm
advanced
front & rear
16.0%
1.00
Module assembly
Cell process
Silicon wafer
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
Ep
i.C
Epi.C
1.20
Cost (€/Wp)
Ribbonchamp
1.40
B
as
ep
ow
er
M
ul
tis
ta
M
r
ul
tis
ta
Su
R
pe
rs
lic
Su
e
pe
rs
R
ib
lic
bo
E
nc
ha
m
p
(Reference)
A
dv
an
ce
d
Adv.Basepower
Otras tecnologías: Capas delgadas
La 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)
Electrodo
transparente
Metal
Si amorfo
Conexión
serie
1μm
Vidrio
Luz
Si amorfo
CdS/CdTe,CIS
Baja eficiencia
Escasez y toxicidad de los materiales
•En España: T-Solar Global
Otras tecnologías: concentración FV con Si
•En España: Guascor Fotón
25 kW
250 soles
Otras tecnologías: concentración FV con AsGa
lente
célula
1.000 soles = 1 MW/m2
espejo
espej
o
Concentrador
óptico
Disipador
Célula de AsGa
∼30% a 1000 soles
3 cm
10 cm
•En España: Isofotón, Sol3g,...
Otras tecnologías: Células de tercera generación
• Células tándem
E
Anchos de banda
x
Límite teórico: η=86,3%
Tres uniones
η=40,2%
Células de tercera generación (2)
• La célula solar de banda intermedia
CB
εFC
εG μCI
IB
εGE
μIV
εGE
μCV
εFV
VB
εFI
Límite de eficiencia:
63,3%
Energía solar fotovoltaica: hacia la competitividad
PV electricity price
(€ / kWh)
consumer electricity price
(€ / kWh)
0.50
2005
0.22
0.14
Comparación de
precios de
electricidad FV *) con
precios finales de
electricidad típicos
0.42
0.16
0.11
0.36
0.31
*) depreciación 25 años,
tasa de interés 4%,
costes O&M 1%/año,
PR 0.75
0.16
0.20
0.12
0.10
0.28
competitividad
Cortesía de Wim Sinke, ECN
Energía solar fotovoltaica: hacia la competitividad
PV electricity price
(€ / kWh)
consumer electricity price
(€ / kWh)
2010
0.35
0.23
0.15
Comparación de
precios de
electricidad FV con
precios finales de
electricidad
esperados (+ 1%/yr)
0.29
0.17
0.17
0.11
0.25
0.22
0.21
0.13
0.11
0.19
Cortesía de Wim Sinke, ECN
Energía solar fotovoltaica: hacia la competitividad
PV electricity price
(€ / kWh)
consumer electricity price
(€ / kWh)
2015
0.25
0.24
0.16
Comparación de
precios de
electricidad FV con
precios finales de
electricidad
esperados (+ 1%/yr)
0.21
0.18
0.18
0.12
0.18
0.16
0.22
0.13
0.11
0.14
Cortesía de Wim Sinke, ECN
Energía solar fotovoltaica: hacia la competitividad
PV electricity price
(€ / kWh)
consumer electricity price
(€ / kWh)
2020
0.20
0.26
0.16
0.17
Comparación de
precios de
electricidad FV con
precios finales de
electricidad
esperados (+ 1%/yr)
0.19
0.19
0.12
0.14
0.13
0.23
0.14
0.12
0.11
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