1er coloquio para el fomento de energía fotovoltaica en méxico · 2007-06-12 · 3 centro de...
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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
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CONTENIDOCONTENIDO
Ø¿Porqué NO silicio?Ø¿Porque otros materiales?ØLíneas de investigaciónØLogros y estado actual
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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
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¿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
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Exceso de energía Generada
Energía efectiva
Esp
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a Perdida debido a la transmisión
Longitud de onda
Brecha de banda prohibida
de Si Eg = 1.1 (eV)
Celda Solar de Silicio
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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
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Alternativa para incrementar la
absorción óptica
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Semiconductores
Brecha gradual Heterounión
Diagrama de Bandas para una Unión Multiple
¿Mayor eficiencia con menor costo?
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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
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Brecha de banda prohibida
de Ga Eg = 1.43 (eV)
Brecha de banda prohibida
de Ge Eg = 0.65 (eV)
Esp
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aExceso de energía Generada
Longitud de onda
Celda Solar de GaAs
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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
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Celda Solar Tandem
Eg3< Eg2 < Eg1
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0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
10
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30
40
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(Ge)
(CIGS, Si)
(CdTe)
Sb2Se
3
AgSbSe2
Sb2S
xSe
3-x
CuSbS2
AgSbS2
Sb2S
3
CdS
PbS
Efic
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ptic
a [%
]
Brecha de Energía [eV]
NUEVOS MATERIALES:Eficiencias Teóricas
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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?
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Evolución de celdas en película delgada
Con permiso de Miguel Contreras (NREL)
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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
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I & D en Tecnologías Fotovoltaicas
Plataforma experimental paratecnologías y sistemas FV’s
Procesos, técnicas, materiales y sistemas
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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%
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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
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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
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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
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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
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Desarrollos en el CIE
Programa Cu-Ga-In-Se por electrodepósito
Estructura Típica del CIGS como absorbedor
En colaboración con NREL-USA
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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
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Se muestran las condiciones y composiciones obtenidas, junto con la curva I-V de la celda:
η= 9.4%
Logros actuales….CGIS
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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
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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)
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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
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, 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
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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
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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
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-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
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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.
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En
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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
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En
erg
ía, U
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, 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)
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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
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Gracias