1er coloquio para el fomento de energía fotovoltaica en méxico · 2007-06-12 · 3 centro de...

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ía, U

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

asj@cie.unam.mx

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

ía, U

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

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

1 2 3 4

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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de Ga Eg = 1.43 (eV)

de Ge Eg = 0.65 (eV)

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

CuInSe2

AMORFO

MONOCRISTAL,POLICRISTAL

Materiales ConvencionalesOBJETIVO: Reducción de costos

e incremento de eficiencia

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Celda Solar Tandem

Eg3< Eg2 < Eg1

ía, U

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

(CIGS, Si)

(CdTe)

AgSbSe2

CuSbS2

AgSbS2

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)

ía, U

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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Vidrio

Unión PIN de a- Si : H

0.7 µm

0.5 µm

Vidrio

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 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

Four -terminal tandem cell based on CdTe and CIS absorbers

SuperstrateCdXTe/CdS

SubstrateCIS/CdS

Transparentcontact

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

10CGT 72a2

=0.63 V

=17 mA/cm2

FF=36η=3.8%

…CdTe

ía, U

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

ía, U

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

DE PRODUCCIÓN

META: usd $50.00 / m2

ía, U

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)

ía, U

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

ía, U

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

ía, U

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

ía, U

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6

-1.0x10-5

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

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

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)

Estrategia 3: Formación de estructuras

ía, U

-200 0 200 400 600 800 1000

Voltage (mV)

-200 0 200 400 600

1.0 Light

VOC = 0.5 VJ

SC = 2.3 mA/cm2

A = 1mm2

L = 850 W/m2

Voltage (mV)

SnO2:F / CdS(hex 100 nm) / PbS(250 nm) / Ag

SnO2:F

CdSPbS

850 W/m2

ía, U

SnS (1)

SnS (2)

IL= 850 W/m2

SnO2:F

SnOSnO22:F / :F / CdSCdS / / SnSSnS / / CuSCuS --AgAg

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

23.1 DARK LIGHT

J sc (

Voltage (V)

= 380 mV

= 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.

ía, U

-300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600

TCO-CdS(hexagonal)-Bi2S

Voltaje (mV)

Oscuridad Iluminacion

VCA = 340 mV

= 10 mA/cm2

A= 1.3 mm2

SnOSnO22:F / :F / CdS(CubCdS(Cub, , hexhex) / ) / BiBi22SS33 / / PbSPbS--AgAg

SnO2:FCdSBiBi22SS33

ía, U

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

2.0x10-5

Curva I-V de la estructura FV SnO2-CdS-Sb

3-SnS-CuS

= 450 mV

Isc = 40 µA; Jsc= 4 mA/cm2

A = 1 mm2

IL = 1 kW/m2

voltaje [V]

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6

-5.0x10- 7

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

voltaje [V]

IL=1000W/m2

silver print

Voltage (V)

Current (A) Current (A)

ía, U

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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sgestec@cie.unam.mxwww.cie.unam.mx

Gracias

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