tecnologías fotovoltaicas establecidas - unam · 2011-03-25 · [email protected]...

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Tecnologías Fotovoltaicas establecidas

Temas:

El contexto energético y medioambiental en el mundo

El recurso solar y mercado fotovoltaico

Celdas solares de CdTe

Prototipos de módulos fotovoltaicos de CdTe

Instituciones particapantes:

ESFM-IPN

Intercovamex

Ind. Tonaly

CIE-UNAM

Gerardo Contreras, Miguel Tufiño, Jean Marc, Aníbal Avila, Jesús López y Xavier Mathew

Apoyos: CONACyT-INNOVAPYME proyecto 111299, ICyT-DF

mailto:[email protected]


Casi el 90% de la energía se genera a partir de combustibles fósiles

38%

28%

20%

4%

9%1%

Fuentes de energía a nivel mundial

Petróleo

Carbón

Gas Natural

Nuclear

Hidroeléctrica y biomasa

Energías Renovables

58%

6% 28%

2%

4% 2%

Fuentes de energía en el país

Petróleo Carbón

Gas Natural Nuclear

Hidroeléctrica Energías Renovables


Año………….1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2009 2010

World Total…5,880 5,886 5,909 5,962 6,074 6,213 6,275 6,294 6,322 6,643 7,129 7,889

World Carbon Dioxide Emissions from the Consumption of Fossil Fuels, 1990–2010 (Million Metric Tons Equivalent)

Consecuencias de la alteración climática mundial:

• Deshielo de glaciares e incremento del nivel del mar

• Aumento de intensidad y frecuencia de sequías y huracanes

• Repercusiones biológicas, agrícolas, económicas y sociales

Ecosystems impacted 2002

No Sustainability of ecosystems 2032


Las nuevas tecnologías y las

energías renovables jugarán un

papel importante

Ventajas de los sistemas fotovoltaicos en nuestro país:

México tiene una gran cantidad de insolación.

Se genera sólo la que se requiere.

Se instala fácilmente y cada vez cuesta menos.

El mantenimiento es mínimo.

Su tiempo de vida (>20 años) es relativamente largo.

La energía fotovoltaica convierte

la radiación solar en energía

eléctrica de forma directa


El teluro de cadmio (CdTe) semiconductor formado por elementos que pertenecen a los grupos:

cadmio (Cd) II-B y telurio (Te) VI-A.

• Alta estabilidad térmica y química.

•Tipo-p (exceso de Te ó vacancias de Cd).

• Pequeña desviación estequiométrica (vacancia de Cd)

a altas temperaturas.

• Portadores de carga Nc=1017, Nv=1018, Ni=109 y

concentración de aceptores 1015 (cm-3)

• Tensión de vapor del Cd y Te mayor que el compuesto.

El compuesto es estable a T>500 °C

• Al evaporarse el CdTe libera Cd y Te de igual manera y

se depositan por igual en el substrato.

• Energía de enlace iónico de 5.75 eV; la energía de los

fotones incidentes < la energía para descomponer el

compuesto.

• Eg1.43 eV.

• Constante de red: a = 6.481 Å.

• nr=2.70; densidad de 6.5 g/cm3.

• (0)=10.2 y χ=4.28 eV.

• Movilidad (cm2/Vs): n=500, p=60.

• 0>105 cm-1, 90% de los fotones absorbidos

entre 3 y 7 micras de espesor del CdTe.

• τ=1.6 x 10-8 s.

• Altamente resistivo >105 Ω–cm y difícil de dopar.

• Función de trabajo alrededor de 5.7 eV.


0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

100

200

300

400

500

600

700

Vidrio-SnO2:F/CdS

Fuente

SubstratoT (

°C)

t (min)

Propiedades de la película de CdTe por CSVT-IR:

• De naturaleza policristalina

• Velocidad de crecimiento (1.3 m/min)

• Tamaño de grano del orden de 2 m

1.0 1.2 1.4 1.60.0

2.0x108

4.0x108

6.0x108

8.0x108

1.0x109

1.2x109

1.4x109

CdTe

0 = 1.268x10

4

Eg=1.45 eV

(h)2

(cm

-1e

V)

h (eV)

CSVT es la técnica más apropiada para el depósito del CdTe.

Técnicas de depósito del CdTe Velocidad de depósito m/min

Eficiencia (%)

Laboratorio Área grande

MOCVD 4.3 11.9 -

Electro-deposición 0.015 14.2 10

Rocío químico - 14 7.7

CSVT 116.5

12.4 *12

5*

MBE 0.016 10.5 -

Evaporación 0.09 11.8 9.1

Serigrafía 0.5 12 8.7

PVD 0.018 10.5 -

* En nuestros laboratorios ESFM-IPN

400 500 600 700 800 900

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CdS grown by CSVT

CdS grown by CBD

T (

%)

(nm)

System Thickness d (nm)

Grain size(nm)

Tav (%) BGE(eV)

CSVT 150 68.5 84.21 2.51

CBD 138 47.2 85.04 2.52

System Rs

(W-cm2)Rp

(W-cm2)Voc

(volts)Jsc

(mA/cm2)FF(%)

Eff(%)

CBD 2.89 757 0.740 23.76 70.45 12.34

CSVT 3.60 750 0.714 24.02 65.31 11.20400 500 600 700 800 900

0

20

40

60

80

100

Spec

tral R

espo

nse

(%)

Wavelength (nm)

The best CSVT solar Cells The best CDB solar cells

0 200 400 600 800

-20

-10

0

Solar Cells with CdS by CBD, =12.3 % Solar Cells with CdS by CSVT, =11.2 %

V (mV)

J (m

A/c

m2)

R. Mendoza, et al. Thin Solid

Films, 480-481, (2005) 173-176

Celda record de CdS/CdTe en Latinoamérica de 2.5x2.5 cm con área de contacto de 0.1 cm2

Deposit CdS by CBD

• pH = 10, td=30 min and T=75 °C (± 2°C).

• Reactants concentration based on the best results solar cells of 1 cm2.

CdTe by “conventional” CSVT.

• Vacuum pressure of 10-6 Torr and td=8 minutes.

• Ar + O2 (50 + 50)% with 0.1 Torr pressure.

• ΔT = 100 °C.

R. Mendoza, et al.

Proc. 34th IEEE

Photovoltaic

Specialists

Conference (2009

IEEE), 2090-2095.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

I (m

A)

V (volts)

I vs. V Dark

Reproducibility

Photovoltaic module

40 cm2

a

b

c

g

h

i

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

-20.0

-17.5

-15.0

-12.5

-10.0

-7.5

-5.0

-2.5

0.0

J (

mA

/cm

2)

V (volts)

J vs. V (AM1.5)

Reproducibility

Photovoltaic module

CSPB1Cilu

a

b

c

g

h

i

2.- Photovoltaic modules prototypes processing of CdS/CdTe, by CSVT 40 cm2

To be resolved this problem we needed change the CSVT

First problem, the broken glass Old CSVT system


PHOTOVOLTAIC MODULES OF CdS/CdTe IN AREAS OF 100 CM2 AS

GROWN BY THE CLOSED SPACE VAPOR TRANSPORT SYSTEM*

Substrate soda-lime glass/SnO2/CdS/CdTe TT-CdCl2/Cu-Au.

The PV-modules were subdivided in 16 solar cells (SC`s).

The 16 SC`s were separated by laser scribing pattern.

The final serial interconnection of 2 columns of 8 SC`s connected in parallel

with soldered copper and tin narrow ribbons.

Advantage

• Better morphology

• Stability

• More efficiency process

But….

Morphology in photovoltaic module of 10x10 cm by CSVT-IR

Adjust thegrowth

parameterers

MaterialPression in growth

chamber (mTorr)

Atmospher

(Ar + 02 )TF (°C) td (min)

CdTe 100 (50 + 50)% 625 3

CdS 100 (100 + 0)% 675 2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

100

200

300

400

500

600

700

CdTe

Glass-SnO2:F/CdS

Source

SubstrateT (

°C)

t (min)

0 2 4 6 8 10 12

0

100

200

300

400

500

600

700

T (

°C)

t (min)

CdS

Glass-SnO2:F/

Substrate

Source

Good morfology

Thickness

CdS ~ 700 nm

CdTe ~ 12 µm

Material RC (nm/min) d Rug (nm)

CdS 330 650 nm 64

CdTe 4000 11.8 μm 324

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

0

20

40

60

80

100

T (

%)

(nm)

Photovoltaic module 10x10

T = 75 %

Optical transmittance ~ 75 %

Back contacts: Cu and Au of 2 and 100 nm of

thickness, respectively.

Laser scribing for photovoltaicmodule of 100 cm2

Speed

motor

(mm/s)

Scribing on differents materials (time [seg] –

wide [mm])

SnO2 CdS CdTe Cu-Au

5 68 – 1.0 64 – 1.2 68 – 1.5 66 – 1.6

3 120 – 1.0 130 – 1.0 134 – 1.1 132 – 1.2

1 356 – 1.1 374 – 1.2 394 – 1.3 400 – 1.8

Laser scribing system

•Laser of Nd-Yag a 355 nm.

•Wide pulse of 5 – 6 ns.

•Repetition rate of 30 Hz.

•Energy density of 2 J/cm2

Photovoltaic module of 100 cm2 with laser scribing finally and back contact interconnection on acrylic base.

Values average of Vmax, Jmax, FF and η for the 8 independent solar cells of

photovoltaic module prototype by CSVT-IR.

It’s back contact area is 4.0 cm2 at Pin = 80 mW/cm2.

Cell Vmax

(volts)Jmaxc

(mA/cm2)Pout

(mW/cm2)

Eff(%)

1 0.173 1.8 0.32 0.4

2 0.275 1.6 0.44 0.6

3 0.562 1.5 0.84 1.0

4 0.363 2.5 0.91 1.1

5 0.410 2.0 0.82 1.0

6 0.570 1.6 0.85 1.0

7 0.440 1.7 0.75 0.9

8 0.180 1.6 0.29 0.4

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

J (

mA

/cm

2)

V (volts)

Photovoltaic

a half module 100 cm2

8 solar cells interconnected

in parallel

CSP2A

Curves of J vs. V for the photovoltaic module prototype of

100 cm by CSVT-IR at illumination of 80 mW/cm2.

Area

(cm2)Voc

(volts)Jsc

(mA/cm2)Eff

(%)

6.25 0.714 24 11.2

40 0.620 16.2 4.7

100 0.363 2.5 1

0 20 40 60 80 100

0.1

1

10

100

Co

mp

ara

tio

n

Area (cm2)

Voc

Jsc

Eff

Comparation electrical parameters vs. area (cm2)

•En este trabajo se presentaron algunas características de celdas

solares de CdTe depósitadas por CSVT.

•Obtención de los primeros prototipos de módulos fotovoltaicos de

CdS/CdTe de 100 cm2 processed by CSVT-IR en nuestro país.

•Es necesario cambiar los contactos posteriores Cu-Au por Mo, CuTe.

•Optimizar los parámetros de depósito en áreas grandes.

•Optimizar proceso con las mesas de trabajo para escritura,

interconexión y sellado de los módulos fotovoltaicos de CdS/CdTe.

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