1er coloquio para el fomento de energía fotovoltaica en méxico · 2007-06-12 · 3 centro de...
TRANSCRIPT
1 1 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
P. K. Nair, M.T.S. Nair; X. Mathew; A. Fernández, J. Campos, O. Gómez Dasa, A. Jiménez, G.Casarrubias y
A. Sánchez Juárez
Estudiantes:Jorge Ovidio, Harumi Moreno, Guadalupe Delgado, Corina Hernández, Felipe Aviles, Oscar Leyva, Erick Delgado, ManuelaCalixto; David Avellaneda, SarahMessina, Guadalupe Delgado, Harumi MorenoDepto. Materiales Solares
1er Coloquio para elFomento de Energía Fotovoltaica en México
ExConvento de San Agustín; 5-6 Junio 2007; Zacatecas, Zac.
Nuevos materiales para aplicaciones fotovoltaicas:INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
2 2 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
CONTENIDOCONTENIDO
Ø¿Porqué NO silicio?Ø¿Porque otros materiales?ØLíneas de investigaciónØLogros y estado actual
3 3 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
MISIMISIÓÓN DEL DMS: D &IN DEL DMS: D &I
Ø Técnicas y Procesos para la elaboración de materialessemiconductores
Ø Materiales semiconductores paraaplicaciones fotovoltaicas.
Ø Oxidos metálicos transparentespara su aplicación en celdas solares
Ø Metodologías para el estudiosistemático de tecnologíasfotovoltaicas
ØImplementación de metodologías didácticas: adopción de la tecnología fotovoltaica usuarios, proveedores e implementadores de programas
4 4 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
¿En donde se realiza el Efecto Fotovoltaico?
EL SILICIO MONOCRISTAL, POLICRISTAL
MÁXIMAS EFICIENCIAS EN SÓLIDOS SEMICONDUCTORES,
EN UNIONES ENTRE MATERIALES SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES.
η = 24.7 %
η = 20.3 %
Estado Actual-Si
Costo: ~ usd$ 200.00/m2
5 5 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Exceso de energía Generada
Energía efectiva
Esp
ectr
o d
e la
den
cida
dd
e en
ergí
a Perdida debido a la transmisión
Longitud de onda
Brecha de banda prohibida
de Si Eg = 1.1 (eV)
Celda Solar de Silicio
6 6 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
21 mW falta de absorción para energías del fotón menores al borde de absorción.
31 mW fotones con energía en exceso generan calentamiento.
Voltaje disponible 1.1 V Corriente disponible 44mA
Eficiencia de colección; Absorción incompletaReflexión en la superficie; Sombreado x contc. Recombinación
Voltaje a circuito abierto0.6 V (0.74 V)
Corriente a corto circuito28 mA (41.6 mA)
Pérdidas por resistencia serieFactor de forma 0.75 ( 0.8)
Potencia de Salida de la celda14 mW (24mW)
Parámetros Limitadores de la EficienciaParámetros Limitadores de la Eficiencia
100 mW SILICIO CRISTALINOSILICIO CRISTALINO
7 7 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Alternativa para incrementar la
absorción óptica
1 2 3 4
Semiconductores
Brecha gradual Heterounión
Diagrama de Bandas para una Unión Multiple
¿Mayor eficiencia con menor costo?
8 8 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Unión 1 P - N
Unión 2 P - N
Unión 3 P - N
Semiconductor 1
Semiconductor 2
Semiconductor 3
I l u m i n a c i ó n
Puntos deConexión
ContactosSemi-Transparentes
Eg3 < Eg2 < Eg1
Celda Solar de Unión Múltiple
9 9 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Brecha de banda prohibida
de Ga Eg = 1.43 (eV)
Brecha de banda prohibida
de Ge Eg = 0.65 (eV)
Esp
ectr
o d
e la
den
cida
dd
e en
ergí
aExceso de energía Generada
Longitud de onda
Celda Solar de GaAs
10 10 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Semiconductores para aplicaciones
fotovoltaicas
SEMICONDUCTORES
GRUESOS
DELGADOS
SILICIO MONOCRISTAL,POLICRISTAL
SILICIO
GaAs
CdTe
CuInSe2
AMORFO
MONOCRISTAL,POLICRISTAL
Materiales ConvencionalesOBJETIVO: Reducción de costos
e incremento de eficiencia
11 11 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Celda Solar Tandem
Eg3< Eg2 < Eg1
12 12 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
10
20
30
40
50
(Ge)
(CIGS, Si)
(CdTe)
Sb2Se
3
AgSbSe2
Sb2S
xSe
3-x
CuSbS2
AgSbS2
Sb2S
3
CdS
PbS
Efic
ienc
ia O
ptic
a [%
]
Brecha de Energía [eV]
NUEVOS MATERIALES:Eficiencias Teóricas
13 13 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Requerimientos generales
Celda solarAbsorbedor-generadorColector-convertidorContactos eléctricos
Módulo
Integración de celdasSuper-estrato: vidrioEncapsulantesCaja de conexión; diodosMarco metálico
Sello de gomaVidrio Polímero:PVBCelda SolarPolímeroEstructura
Reducción de costos
ØMenos material?ØPelículas delgadas?ØProcesos simples?ØAbundancia de materiales?ØÁreas grandes?ØSustratos flexibles?ØConductorestransparentes?
14 14 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Evolución de celdas en película delgada
Con permiso de Miguel Contreras (NREL)
15 15 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Prog. Photovolt: Res. Appl. 2007; 15:35–40 Martin A. Green, Keith Emery, David L. King, Yoshihiro Hishikawa and Wilhelm Warta
Estado actual de la tecnología FV
16 16 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
I & D en Tecnologías Fotovoltaicas
Plataforma experimental paratecnologías y sistemas FV’s
Procesos, técnicas, materiales y sistemas
17 17 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Metal
Vidrio
n+
I
p+
CCT
Unión PIN de a- Si : H
0.7 µm
0.5 µm
Metal
Vidrio
n+
p+
CCT
Cd TeCd S
Eficiencia Area
15.8% 1.05 cm2
DESARROLLOS EN EL CIE-UNAM
Programa de silicio amorfo1986-1992
Proceso: PECVDSustrato: VidrioCCT: SnO2:SbEstructura: PINContacto metálico: Agη ≈ 6%
18 18 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
DESARROLLOS EN EL CIE-UNAM
EL PROGRAMA DE CdTe2000----
Estructura
Top Contact
n-type
p-typeAbsorber
Back Contact
TCO/glass
CdS
CdTe
Cu-Au
CdS mediante depósito químicoCdTe por sublimación en espacio cercano
19 19 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Desarrollo de Tecnología: CdTe
Eficiencia: 9%, STC
Depósitos en área pequeña: 3cm x 3cmTemperaturas de depósito: 600-650 ºCEspesor típico: 4-7 micrasTiempo de depósito: 3 min.Atmósfera: O2 y HeTratamiento postdepósitoContacto metálico Cu-Au
20 20 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Desarrollo de Tecnología
Celdas Tandem basadas en CdTe
CdXTe (X=Zn, Mg, Mn)- candidates for top cell
CdXTe is a candidate top cell,ZnTe/ZnO is the interconnect junctionHgCdTe is the superstrate bottom cellCIS is the substrate bottom cell
CdTe
CIS
Four -terminal tandem cell based on CdTe and CIS absorbers
CdTe
CIS
Four -terminal tandem cell based on CdTe and CIS absorbers
SuperstrateCdXTe/CdS
SubstrateCIS/CdS
Transparentcontact
glass
SnO2:FCdSCdXTeZnTeZnOCdSHgCdTe
Metal contact
two-terminal tandem solar cell four-terminal tandem solar cell
…CdTe
21 21 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Device structure:-Au-Cu/Cd0.95Mg0.05Te/CdS/Tec7 * Film thickness- 0.65 µm
* CL 387, air, 5 min.
* Cu diffusion @150 oC, 10 min.
Logros actuales: Celda superior
Efficiency is limited due to poor Fill Factor and Voc
-0.4 0.0 0.4 0.8
-20
-10
0
10CGT 72a2
Voc
=0.63 V
Jsc
=17 mA/cm2
FF=36η=3.8%
J (A
/cm
2 )
v (V)
…CdTe
22 22 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Desarrollos en el CIE
Programa Cu-Ga-In-Se por electrodepósito
Estructura Típica del CIGS como absorbedor
En colaboración con NREL-USA
23 23 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Ø Empleando un co-electrodeposito de Cu, In, GaSe, obtenidos de una solución electrolítica que contiene CuCl2, InCl3, GaCl3 y H2SeO3
Ø Utilizando substratos de Molibdeno(1 µm de espesor)/Vidrio los cuales se sumergen en la solución electrolítica.
Ø El crecimiento del absorbedor se realiza a un potencial de -1 V (SCE) durante 1 hr, formando películas de 2 µm de espesor, las cuales se recristalizan en presencia de Se.
Proceso de Crecimiento
…CGIS
24 24 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Se muestran las condiciones y composiciones obtenidas, junto con la curva I-V de la celda:
η= 9.4%
Logros actuales….CGIS
25 25 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Requerimientos para aplicación masiva
Abundancia de materia prima
Materiales no estratégicos
Tecnologías de Bajo costo
Optimización de material
Optimización de eficiencia
Nuevos Materiales
REDUCCIÓN DEL
COSTO
DE PRODUCCIÓN
META: usd $50.00 / m2
26 26 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
ABUNDANCIA DE ELEMENTOS EN LA TIERRA
www.inegi.gob.mx
¿Es 1ppm suficiente?
Semicond. MexicanProduction
(2004)
William W. Porterfield, InorganicChemistry: a united approach, Academic 1993 San Diego, p. 9.
Ag (3,000 ton)
Semicond. MexicanProduction
(2004)
William W. Porterfield, InorganicChemistry: a united approach, Academic 1993 San Diego, p. 9.
Ag (3,000 ton)
27 27 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
CdS direct, ~ 2.45 eV; ZnS direct, ~ 3.7 eVZnSe direct, ~ 2.7 eV
CdSe direct, ~ 1.7 - 2.0 eVSb2S3 direct, ~ 1.7 - 1.8 eVSnS direct, ~ 1.6 eV
CuSe, Cu2-xSe indirect, ~ 1.2 - 1.4 eVCuS, Cu1.8S, Cu1.96S
direct, ~ 1.55 - 1.4 eV
Bi2S3 direct, ~ 1.4 – 1.5 eVSb2Se3 indirect, ~ 1 – 1.2 eVTl2S direct, ~ 1.12 eV, Bi2Se3 direct ~ 1.08-1.06 eVAg2S direct forbidden, ~ 1 eVPbS indirect, ~ 0.4 – 0.7 eVPbSe indirect ~ 0.6 eV(?)
Estrategia 1: Selección de Materiales para Heterouniones basadas en Cds
El Programa de : Calcogenuros de metalProcesos fisico-químicos
28 28 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
EstrategiaEstrategia 2:2: DepDepóósitosito en en áárearea grandegrande
Optimization of: 1. composition of bath mixture,
2. quantity of bath per surface area of the substrate
3. duration and temperature of deposition
4. post deposition processing and/or multilayer deposition
Proceso: Baño químico
29 29 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Estado Actual del proceso
Flotación: Inmersión:
Hojas de 1.5 m2
Hojas de 3.0 m2Producción diaria:450 m2
Producción diaria: 225 m2
10% eficiencia 5 MWe
Costo: usd$4.5 /m2
30 30 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6
-1.0x10-5
0.0
1.0x10-5
2.0x10-5
3.0x10-5
4.0x10-5
5.0x10-5
6.0x10-5
-0.2 0.0 0.2 0.4
-2.0x10-5
-1.0x10-5
0.0
1.0x10-5
Curva IV de la estructura fotovoltaica CdS-PbS IL=1 kW/m2
Voc = 297 mV
Isc = 13 µA; 0.3 mA/cm2
A = 4 mm2
IL = 1 kW/m2 tung-hal
Cor
rient
e (A
)
Voltaje (V)
+-
Glass/CdS(100 nm)/PbS(250nm)
n-CdS Eg : 2.5 eV dirglass
p-PbS Eg : 0.4 eV indCdS: M.T.S. Nair, P.K. Nair, J.CamposThin Solid Films 161 (1988) 21-34
PbS: P.K. Nair, M.T.S. Nair J. Phys. D: Appl. Phys 23 (1990) 150-155
dark Voltage (V)
Voltage (V)
Cur
rent
(A)
Cur
rent
(A)
dark
photo
Estrategia 3: Formación de estructuras
31 31 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
-200 0 200 400 600 800 1000
-10
-5
0
5
10
15
20
J (m
A/c
m2)
Voltage (mV)
Dark
-200 0 200 400 600
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0 Light
VOC = 0.5 VJ
SC = 2.3 mA/cm2
A = 1mm2
L = 850 W/m2
J (m
A/c
m2 )
Voltage (mV)
SnO2:F / CdS(hex 100 nm) / PbS(250 nm) / Ag
+-
SnO2:F
CdSPbS
850 W/m2
32 32 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
SnS (1)
SnS (2)
IL= 850 W/m2
SnO2:F
CuS
CdS
SnOSnO22:F / :F / CdSCdS / / SnSSnS / / CuSCuS --AgAg
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
-7.7
-3.8
0.0
3.8
7.7
11.5
15.4
19.2
23.1 DARK LIGHT
J sc (
mA
/cm
2 )
Voltage (V)
VOC
= 380 mV
JSC
= 7.7 mA/cm2
Vm = 220 mV
Jm = 4.53 mA/cm2
FF = 0.34Eff. = 1%
Voltage (V)
M. T. S. Nair & P. K. Nair, Semicond. Sci. Technol. 6 (1991) 132-134.
33 33 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
-300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
TCO-CdS(hexagonal)-Bi2S
3-PbS
J SC
(mA
/cm
2 )
Voltaje (mV)
Oscuridad Iluminacion
VCA = 340 mV
JCS
= 10 mA/cm2
A= 1.3 mm2
SnOSnO22:F / :F / CdS(CubCdS(Cub, , hexhex) / ) / BiBi22SS33 / / PbSPbS--AgAg
PbS
SnO2:FCdSBiBi22SS33
34 34 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
SnOSnO22:F / :F / CdSCdS / / SbSb22SS33 / / SnSSnS / / CuSCuS--AgAg
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6
-6.0x10-5
-4.0x10-5
-2.0x10-5
0.0
2.0x10-5
Curva I-V de la estructura FV SnO2-CdS-Sb
2S
3-SnS-CuS
Voc
= 450 mV
Isc = 40 µA; Jsc= 4 mA/cm2
A = 1 mm2
IL = 1 kW/m2
corr
ient
e [A
]
voltaje [V]
-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6
-5.0x10- 7
0.0
5.0x10- 7
1.0x10- 6
1.5x10- 6
2.0x10- 6
2.5x10- 6
Curva IV de la estructura FV SnO2-CdS-Sb2S3-SnS-CuS
corr
ient
e [A
]
voltaje [V]
CdS
SnO2
SnS
IL=1000W/m2
silver print
Sb2S3
CuS
Voltage (V)
Voltage (V)
Current (A) Current (A)
35 35 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Unidad de Asistencia Fotovoltaica CIEUnidad de Asistencia Fotovoltaica CIE--UNAMUNAM
FormaciFormacióón de Recursos humanosn de Recursos humanos
ØDiplomado en SFVØPosgrado en EnergíaØLicenciatura en ER’s
36 36 www.cie.unam.mxwww.cie.unam.mx
Cen
tro
de
Cen
tro
de
Inve
stig
ació
nIn
vest
igac
ión
en
en E
ner
gía
En
erg
ía, U
NA
M
, UN
AM
Gracias