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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
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Introducción
Tecnología de silicio cristalino, del cuarzo al sistema
Aspectos económicos y medioambientales
Alternativas a la tecnología de silicio cristalino
Conclusiones
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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)
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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)
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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)
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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%
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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
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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
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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 =
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ASIF. Informe anual 2008
Silicio grado solar
Silicio grado electrónico/solar
Tecnología FV de silicio cristalino
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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
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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
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Reactor de lecho fluidizado
Columnas de destilación
Polisilicio
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La amenaza de la escasez de Si
P.
Fath
, 2
00
6
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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
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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
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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
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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)
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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%
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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%
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Factoría de Scanwafer (Noruega)
Tubos de difusión
Horno de cinta para quemado de pasta
Serigrafiadora automática
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Formación de cadenas
+
-Matriz de células
6 Fabricación de módulos (I)
Encintado
Cinta de Cu/Sn
Conexión automática de células
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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,...
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Acumulador
Acondicionamientode potencia
GeneradorFotovoltaico
GeneradorAuxiliar
CargasDC
CargasAC
Instalaciones aisladas
Solar Home System
Abastecimiento de agua
Residencial aislado
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Edificios conectados a la red
Acondicionamientode potencia
GeneradorFotovoltaico
Red eléctrica
Instituto Energía Solar
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Tudela (1.2 MWp)
Plantas fotovoltaicas
PV Toledo, 1 MWp
500 kWp Euclides©,
Tenerife
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Algunos equipos Baterías
Reguladores de carga
Inversores
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Distribución mundial del mercado fotovoltaico(2007)
Fuente: EPIA/Greenpeace, 2008Remoto
industrial4%
Productos de consumo
1%
Conexión a la red90%
Remoto viviendas
5%
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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
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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
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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%
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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
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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
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Otras tecnologías: concentración FV con Si
•En España: Guascor Fotón25 kW250 soles
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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,...
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Otras tecnologías: Células de tercera generación
Límite teórico: η=86,3%
E
xAnchos de banda
• Células tándem
Tres unionesη=40,2%
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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%
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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
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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
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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
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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
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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