Arturo Morales AcevedoCINVESTAV del IPNDepartamento de Ingeniería Eléctrica

40 años de 40 años de Investigación y Desarrollo de Celdas Investigación y Desarrollo de Celdas

Solares en el CINVESTAVSolares en el CINVESTAV

Tópicos

üBreve reseña histórica.üTecnología actual para Celdas

Solares de silicio en nuestros laboratorios.üConclusiones y Perspectivas.

Primeros pasos

La historia de las celdas solares en el CINVESTAV del IPN comenzó hace 40 años, cuando un grupo de profesores fundadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica tuvieron una clara visión de las necesidades energéticas del país en el futuro. Luego de algunos años de investigación en diferentes materiales y tipos de celdas solares, en 1975 se tomó la decisión de producir celdas solares de silicio cristalino. Los primeros módulos fotovoltaicos fabricados con 36 celdas solares de 2 pulgadas de diámetro generaban una potencia de 7 Watts-pico.

La planta piloto de producción de Celdas Solares de Silicio Cristalino

Los principales objetivos de la planta piloto que inició operaciones alrededor de 1982 fueron:

• Demostrar la factibilidad de fabricación de celdas solares en México.

• Promover la conversión y aplicación de la energía fotovoltaica a nivel nacional.

• Investigar y desarrollar nuevos materiales para su uso en dispositivos fotovoltaicos.

• Formar recursos humanos.

En 1982, la planta piloto alcanzó la capacidad de 25 kW/año con celdas solares de silicio de 3 pulgadas de diámetro.

Detalle de Celda Solar fabricada en el CINVESTAV

Procesos de Fabricación

Los procesos para la elaboración de las celdas solares eran:

• Limpieza y pulido químico de obleas de silicio cristalino.• Formación de la unión n+ / p mediante la difusión térmica de

fósforo. • Formación del campo eléctrico posterior mediante evaporación

y aleación de aluminio.• Evaporación de metales Ti, Pd, Ag en vacío para contactos

óhmicos. • Depósito de capa anti-reflectante de SnO2 mediante rocío

químico pirolítico. • Clasificación eléctrica de las celdas solares.• Ensamblado de las celdas en módulos con marcos de aluminio y

vidrio templado para su encapsulado con elastómero y silicón.

Arreglo de Módulos Fotovoltaicos instalados en el CINVESTAV hace mas de 20 años

Estado actual de Módulos fabricados en el CINVESTAV

Especificaciones de los Módulos

La especificación física de los módulos fotovoltaicos CINVESTAV MS-1722 fueron:

• Largo = 77.4 cm, Ancho = 31.2 cm, Espesor = 3.4 cm, Peso = 4.25 kg

Estos módulos desarrollaron las siguientes características típicas bajo radiación equivalente de 100 mW/cm2, a temperatura ambiente:

• Voc = 20.8 Volts, Isc = 1.2 Amperes, Vm = 15.0 Volts, Im = 1.08 Amperes y una potencia pico de Pm = 16.2 Watts.

Primeras Aplicaciones con Módulos fotovoltaicos hechos en México

• Los primeros módulos se usaron en la sierra Poblana, a una latitud 20° 10’ norte y longitud 97° 40’ oeste, se instalaron sistemas para radiotelefonía rural (60 Watts con uso promedio de 1 hora / día). En el siguiente año, hubo demanda de 70 de estos equipos en la misma región.

• También se utilizaron para televisión educativa. Para esto, los televisores comerciales fueron modificados para operar a corriente directa y se instalaron en una secundaria de la sierra de Puebla. Se diseñaron sistemas con 30 Watts-pico (Wp) en módulos para proporcionar un servicio promedio de 5 horas / día.

Primeros programas multi-institucionales

• Otra contribución significativa fue la instalación de Sistemas FV para el alumbrado de 122 albergues infantiles en 9 Estados de la República. Cada albergue se equipó con módulos FV con una potencia de 65 Wp para beneficiar a más de 5,000 infantes de la República. En este proyecto, el CINVESTAV se coordinó técnicamente con el Instituto Nacional Indigenista (INI), la SEP y UPIICSA-IPN.

Sistemas FV de radiotelefonía rural en la sierra de Puebla

Proyecto en Oaxaca de TV educativa e iluminación

Planta Piloto

Instalaciones

Módulos terminados y clasificados

Caracterización de los Módulos fotovoltaicos

Educación y Radiotelefonía en el campo

Iluminación en albergues infantiles

Tecnología actual para celdas Tecnología actual para celdas solares de silicio y algunos solares de silicio y algunos ejemplos de desarrollo en ejemplos de desarrollo en

nuestros laboratoriosnuestros laboratorios

Celda solar fabricada actualmente en el CINVESTAV del IPN

Se parte de silicio cristalino tipo p (100).

Difusión de fósforo a 850 C para formar unión n - p rasante (< 1 µm).

Evaporación de aluminio y recocido para la formación del campo eléctrico posterior.

Depósito de capa anti-reflectante de TiO2 por rocío químico.

Definición de enrejado en la capa de TiO2.

Depósito de níquel (“electroless”) para la formación de contactos óhmicos.

Eficiencias alrededor de 13-14% las cuales son adecuadas en un ambiente industrial.

Difusión de Fósforo en Silicio

Perfil de impurezas típico en el Emisor de Celdas Solares de Silicio

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

1E-3

0.01

0.1

1

Distribuciones Gaussianas

Concentración de Boro en la Base (cm-3)Con

cent

raci

ón d

e F

ósfo

ro (1

020 c

m-3)

Posición relativa (x/2LD)

Parámetros óptimos para celdassolares con emisor pasivado n+ - p - p+

1 10 10021

22

23

24

W B = 250 µmW

E = 0.5 µm

NS = 1 x 101 9 cm - 3

SB = 100 cm/s

S E = 100 cm/s

Efic

ienc

ia T

eóri

ca (%

)

Concentración de Boro en la Base (101 6 cm -3)

5 10 1 5 20 25

18

19

20

21

22

23

24

W B = 250 µmW

E = 0.5 µm

N B = 1 x 101 7

cm- 3

SB = 100 cm/s

S E = 100 cm/s

Efic

ienc

ia T

eóri

ca (%

)

Concentración Superficial de Fósforo (1019 c m- 3)

1 01 102 10 3 1 04 1 05 10 6 10 719

20

21

22

23

24

WB = 2 5 0 µm

WE = 0 .5 µm

NB = 1 x 10 17 cm -3

NS = 1 x 10 19 cm -3

SB = 100 cm/sE

ficie

ncia

Teó

rica

(%)

Velocidad de recombinación superficial Se ( cm/s )

0.2 0 .4 0.6 0 .8 1 .020

21

22

23

24

25

W B = 250 µ mN

B = 1 x 1 01 7 cm -3

N S = 1 x 1 01 9 cm -3

SE = 100 cm/s

SB = 100 cm/sE

ficie

ncia

Teó

rica

(%)

Profundidad de unión (µm )

Evaporación de metales en vacío

Depósito de capa anti-reflectante (TiO2, SnO2) por rocío químico

Optimización de una doblecapa anti-reflectante

¿Podemos fabricar celdas solares en México?

Obviamente sí, estableciendo un plan estratégico:

• No desarrollar toda la tecnología en nuestros laboratorios, pero sí tener el conocimiento de todos los procesos requeridos por la industria moderna de celdas solares.

• Decidir sobre la tecnología mas adecuada y adquirir la mejor, de acuerdo a los volúmenes de producción planeados.

• Transferir aquellos procesos que pueden pasar a la industria en un corto tiempo y con un mínimo costo (por ejemplo, nuestra tecnología de capa anti-reflectante) de forma que se reduzcan los costos de producción.

• Rápidamente entrenar ingenieros para realizar experimentos tipo Taguchipara mejorar la tecnología adquirida. Es decir, usar métodos científicos para mejorar la tecnología.

• Iniciar la colaboración entre universidades e industria para inducir el desarrollo orientado a mejorar la competitividad de la industria establecida.

Conclusiones y Perspectivas

• El mercado de los Sistemas Fotovoltaicos en el mundo, y en México, seguirá creciendo tan rápido como 30% a 40% anual, más que muchas otras industrias de alta tecnología.

• Podemos fabricar celdas solares en México porque contamos con ingenieros e investigadores que conocen bastante bien esta tecnología, desde hace mas de 30 años, a diferencia de muchos otros países en donde no hay personal capacitado.

• Este es un momento clave para que México entre a la producción de celdas solares, dado que la industria mundial establecida no ha podido satisfacer la demanda en años recientes.