TECNOLOGÍAS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS

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ECNOLOGÍAS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS



Clasificación

Por el tamaño

 Película gruesa: 200-500 μm  Película fina: 1-10 μm



Por la estructura cristalina del silicio

 Cristalino (c-Si): un único cristal de silicio

 Multicristalino (mc-Si): áreas grandes de cristales simples  Policristalino y microcristalino : áreas más pequeñas

 Amorfo (a-Si): no hay áreas de cristales simples



Por el tipo de unión

 Homojuntura: uniones p-n con el mismo semiconductor (e.g. silicio)  Heterojuntura: unión p-n con distinto semiconductor (e.g. CdTe o CIGS)



Por la cantidad de junturas

 Juntura simple ó multijuntura

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ECNOLOGÍAS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS



Las celdas de silicio cristalino ocupan el 94% del mercado actual

70% multicristalinas (mc)

24% monocristalinas (c)

_{6% película delgada}

Fuente: Photovoltaics Report. Fraunhofer Insitute for Solar Energy Systems ISE

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA GRUESA



Silicio monocristalino (c-Si)

Método de Czochralski

 Se procesa el mineral (SiO2) hasta obtener silicio purificado.

 Se calienta a unos 1400C para fundirlo. Se introduce una semilla y se retira

lentamente formando un cilindro (lingote) de unos 15cm de diámetro. Normalmente se le agregan impurezas y resulta un material tipo p (o n).

 Involucra alto consumo de energía.

 Se rectifican los bordes para mejorar densidad en panel y se corta para

formar wafers de 150-300 um (pérdidas de 40 o 50% del material).

 La superficie se rectifica químicamente.

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA GRUESA



Silicio monocristalino (c-Si)

Cintas (ribbon)

 El costo de los wafers es significativo y se tratan de reducir los cortes

haciendo el cristal de silicio en forma de cinta en lugar de un cilindro.

 Tamaños típicos: 10 cm de ancho y 300 μm de espesor

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA GRUESA



Silicio multicristalino (mc-Si)



Es otra forma de simplificar la fabricación y reducir costos.

 Se forma un lingote rectangular con enfriamiento controlado.  Se cortan lingotes más pequeños y luego los wafers.

 No resultan cristales perfectos, aparecen discontinuidades entre

cristales y se incrementa la recombinación de pares electrón-hueco.

 Menor eficiencia que c-Si.

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA GRUESA



Uso de silicio vs. espesor de la película



En los últimos años se produjo una reducción significativa en la

cantidad de silicio utilizado en las celdas monocristalinas

 2004: 12 g/Wp y 300 μm de espesor  2016: 7 g/Wp y 170 μm de espesor

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Fuente: Photovoltaics Report. Fraunhofer Insitute for Solar Energy Systems ISE

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA GRUESA



Construcción de la celda (c-Si o mc-Si)

Tratamiento de los wafers

 Se hace un decapado químico para eliminar daños del corte y se

maquina la superficie (formación de pirámides) para reducir la reflexión.

 Se dopa el sustrato para formar una capa de material tipo n.

 Se deposita una capa de recubrimiento antirreflejo en condiciones de

vacío. Igualmente refleja las bajas long. de onda dándole el color azul característico.

 Se depositan los contactos

 Los posteriores normalmente son una capa de aluminio (p+)

 Los superiores (colectores y “dedos”) tienen varias capas. Titanio (baja resistencia con Si), luego paladio para prevenir que el titanio reaccione con la plata, y finalmente plata. Se pierde de 5 a 10% de

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA GRUESA



Construcción de la celda (c-Si o mc-Si)

Formato típico

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA GRUESA



Estructura de los paneles

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA



Existen varias tecnologías comerciales



Silicio hidrogenado: amorfo (a-Si:Hi) y microcristalino (μc-Si:H).

Telururo de cadmio (CdTe).



_{Diseleniuro de cobre e indio (CIS) y de cobre, indio y galio (CIGS).}

Celdas con semiconductores de los grupos III-V: arseniuro de

galio (GaAs), arseniuro de galio e indio (GaInAs), fosfuro de

arsénico e indio (GaInP).

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA



La producción de celdas de película fina en 2016 fue de 4.9

GWp



CdTe: 60%, CIGS: 26%, a-Si:H: 14%

11

Fuente: Photovoltaics Report. Fraunhofer Insitute for Solar Energy Systems ISE

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA



Producción de módulos

12

Fuente: Photovoltaics Report. Fraunhofer Insitute for Solar Energy Systems ISE

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA

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

Silicio amorfo (aSi)



Muy poco orden en el cristal por defectos en los enlaces entre átomos.

 Electrones libres que no forman enlaces covalentes. Mayor recombinación.

 Se pueden reducir los defectos haciendo una aleación con hidrógeno (a-Si:H). El

H satura los enlaces libres.

 Se degradan con la luz (efecto Staebler-Wronski o SWE). La eficiencia se

estabiliza en valores más bajos luego de algunos meses de exposición (debería indicarse la eficiencia estabilizada).

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA



Silicio amorfo multijuntura



Se modifica la energía de la banda prohibida del a-Si (1.75eV)

incorporando otros elementos del grupo 4.

 Carbono (C): incrementa Eg a 2eV  Germanio (Ge): disminuye Eg a 1.3eV

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA



Junturas de materiales compuestos



Se buscan combinar elementos para obtener energías de band-gap

cercanas a las óptimas, minimizando la ineficiencia introducida por

las diferencias en las estructuras cristalinas.

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA



Teloruro de Cadmio (CdTe)



El material n es sulfuro de cadmio (CdS) y p teloruro de cadmio (CdTe).

La energía de band-gap del CdTe cerca de la óptima (1.44eV)



_{Excelente estabilidad. Sin degradación secundaria por la luz.}



El cadmio es tóxico (6g/m2). Debe asegurarse disposición final segura.

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA



Diseleniuro de Cobre e Indio (CIS) o de Cobre, Indio y Galio

(CIGS)



Estabilidad con la luz solar.

_{El In es un material escaso.}



_{La energía de band-gap de la CIS se puede amentar}

considerablemente reemplazando una parte (10-20%) del In por

Ga, y del Se por S.

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA



Arseniuro de Galio (GaAs)



Tienen su origen en aplicaciones espaciales.



Utilizan GaAs como sustrato, con dopaje de Se/Te(n) y Zn/Cd(p).

_{Energía de band-gap cercana a la óptima. Es la mayor para AM1.5.}

Insensible a la temperatura. Aptas para concentración.



_{La fabricación insume mucha energía. Costosas.}

_{Alcanzan eficiencias elevadas}

 28.8% juntura simple y 31.6% juntura doble.

 Alta Devices: https://www.altadevices.com/technology/

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ECNOLOGÍAS DE PELÍCULA FINA



Celdas multijuntura con semiconductores III-V

Permite utilizar el espectro de manera más eficiente

y obtener las mayores eficiencias alcanzadas hasta el

momento.



En el esquema se muestra una juntura triple

de GaInP, GaInAs y Ge.

 Las tres celdas están conectadas en

serie, y el dispositivo tiene un solo contacto positivo y uno negativo.

 Las celda superior tiene mayor band

gap que la inferior.

 Además, se reduce la transmisión

incluyendo al final una celda con

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ECNOLOGÍAS DE CONCENTRACIÓN



La clave de la tecnología radica en reducir el área de las celdas

incorporando ópticas de concentración económicas



El índice de concentración indica a groso modo la proporción de área

de celda que es reemplazada por la óptica. Se pueden utilizar celdas

más eficientes, i.e. más costosas.



Un lente de Fresnel o un reflector, enfoca la radiación en una celda

de menor área, incrementando la intensidad de la radiación.



_{A menudo se monta un elemento óptico secundario sobre la celda.}

_{Suelen clasificarse por el índice de concentración utilizado, en}

 Alta concentración (HCPV)  Baja concentración (LCPV)



_{Más del 90% de las instalaciones de 2016 son HCPV.}

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ECNOLOGÍAS DE CONCENTRACIÓN



Alta concentración (HCPV)

Se caracterizan por utilizar

 Índices de concentración entre 300x y 1000x.  Seguimiento en dos ejes.

 Celdas multijuntura con semiconductores III-V

(GaInP/GaInAs/Ge).



_{Los fabricantes emplean sistemas de enfoque puntual con lentes de}

Fresnel en la óptica primaria. Algunos utilizan celdas más pequeñas y

concentraciones más altas

(500x o 1000x) para

reducir

costos.

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ECNOLOGÍAS DE CONCENTRACIÓN



Alta concentración (HCPV)

Módulos comerciales

 http://arzonsolar.com

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ECNOLOGÍAS DE CONCENTRACIÓN



Baja concentración (LCPV)

Se caracterizan por tener

 Índices de concentración inferiores a 30x (no existen en el mercado

en el rango 30-300x).

 Normalmente seguimiento en un eje, pero puede ser en dos.  Utilizan celdas de silicio monocristalino de alta eficiencia.

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ECNOLOGÍAS DE CONCENTRACIÓN

Plantas

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ECNOLOGÍAS EMERGENTES



Sensibilización por colorante (dye sensitized)

 Proceso diferente al fotovoltaico. El fotón es absorbido por un colorante, que

transfiere un electrón (ioniza) a un semiconductor (TiO2). Se evita la

recombinación con un electrolito y los electrones pasan al circuito externo.



Perovskita

 Evolución de las sensibilizadas por colorante. Utilizan perovskitas híbridas

(orgánicas/inorgánicas) de haluro de plomo. Actualmente son celdas sólidas con eficiencias (en laboratorio) comparables a mc-Si, CdTe y CIGS.



_Orgánicas

 Utilizan compuestos de carbono que es menos costoso.



_{Manejo de fotones}

 La radiación se absorbe en una superficie y luego se re-emite en función de su

temperatura en otra longitud de onda (la temp. se puede disipar en sup.)



Puntos cuánticos (silicon quantum dot)

 Utilizan materiales luminiscentes que emiten fotones con mayor long.

de onda. Los fotones se concentran sobre una celda fotovoltaica.

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ECNOLOGÍAS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS



Rendimientos de celdas y paneles en laboratorio

26

Fuente: Photovoltaics Report. Fraunhofer Insitute for Solar Energy Systems ISE

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ECNOLOGÍAS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS



Rendimientos de celdas en laboratorio

27

Fuente: Photovoltaics Report. Fraunhofer Insitute for Solar Energy Systems ISE

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ECNOLOGÍAS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS



Rendimientos de paneles comerciales

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HJT: heterojuntura

IBC: interdigitated back contact

Fuente: Photovoltaics Report. Fraunhofer Insitute for Solar Energy Systems ISE

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ECNOLOGÍAS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS



Tiempo de recuperación de la energía (EPBT)



Es el tiempo que demora el sistema fotovoltaico (SFV) en producir

la misma cantidad de energía utilizada durante toda su vida

(materiales, fabricación, disposición final).



Se calcula mediante

Donde

 E_X [MJPE-eq] es la energía primaria utilizada para: producir los materiales

del SFV (E_MAT), fabricar el SFV (E_FAB), transportar los materiales usados en todo el ciclo (E_TRANS), instalar el SFV (E_INST), manejar la disposición final del SFV (E_EOL), operación y mantenimiento (E_O&M).

 E_agen [MJel/year] es la generación annual de electricidad

 η_G [MJel/MJPE-eq] es la eficiencia de conversión de energía primaria a

electricidad promedio durante el ciclo de vida debe usarse el mix de energía primaria del país donde se instala el SFV.

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



MAT FAB TRANS INST EOL

agen G O M

E E E E E

EPBT

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ECNOLOGÍAS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS



Tiempo de recuperación de la energía (EPBT)



Depende de la irradiancia (ubicación geográfica) y de la tecnología.

 Para Europa un sistema ubicado en el techo con paneles multicrsitalinos:

 1700 kWh/m2/año: 1.2 años (sur de Europa)  1000 kWh/m2/año: 2 años (Alemania)



Evolución del EPBT en el sur de Europa con 1700 kWh/m2/año

e inclinación óptima.

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Fuente: Photovoltaics Report. Fraunhofer Insitute for Solar Energy Systems ISE