la energía fotovoltaica sostenible:Proyectos PhoSil y REPTILE

Centro tecnológico AIMEN

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• Características de la energía solar: la eterna promesa de la energía limpia

– Fuente ubicua y gratuita de energía

– Virtualmente inextinguible

– Realización ideal de la fuente energética libre de emisiones de CO2

Dificultades…

– Energía muy dispersa, en forma de flujo multiespectral de fotones

– Difícil de transformar en una forma útil de energía

– Reto técnico de gran complejidad: Emisión de CO2 escondida

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Formas de aprovechamiento de la Energía Solar:

-TÉRMICA

Radiación solar -> Calor acumulado-FOTOVOLTAICA:

Fotones -> Electrones- Instalación local

- Red Eléctrica

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Fotovoltaica• Uso de una unión p-n semiconductora para transformar

fotones en electrones.

• Panel solar: estructura que absorbe luz y lo transforma en E. Tipos:

– Masivos 1ª G.: unión p-n de monocristales de silicio. Muy alto coste.

– Masivos 2ª G.: Láminas finas de silicio multicristalino. Silicio Ribbon.

– Lámina delgada: Silicio Amorfo, Nanocristalino, GaAs, CuInSe2

– Células orgánicas e híbridas

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Distintos materiales producen distintos voltajes, y distintas eficiencias de absorción.

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Distintas células fotovoltaicas: primacía del SILICIO

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Sílice (cuarzo)

Horno eléctricode arco:Silicio metalúrgico

Cloruración+

Condensación:

Silicio ultrapuro

Corte y pulido

Waffers: obleas

Policristal Silicio calidad electrónica o solar

Monocristales

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Silicio Monocristalino:

Crecimiento Czochralski.

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Principio Fotovoltaico

Célula fotovoltaica: fotodiodo de gran

superficie

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Célula estándar de silicio tipo-p

Célula solar de silicio = Fotodiodo de gran área.Técnicas de fabricación: las utilizadas en microelectrónica.

Material base: esencialmente silicio. Caro y elevado consumo energético para producirlo

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Tecnologías de fabricación actuales:

-Procesos químicos por vía húmeda- Ataque químico ácido y alcalino- Procesos de litografía, texturizado

- Metalización- Screen printing para fabricación de contactos (pasta de

plata)

-Procesos en horno- Dopado: difusión superficial (cortocircuitos en bordes)- Contact Firing (horneado de la pasta de contacto)

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Limitaciones:

- Coste/eficiencia- Necesarias células más finas (menor cantidad de silicio utilizado)- Reducción de la Recombinación: mejora de la extracción de corriente y eficiencia

- Geometría:- Detalle geométrico dependiente de técnicas litográficas caras- Las rejillas finas son más caras y problemáticas - Procesado de grandes áreas produce inhomogeneidades

- Células finas:- El corte y procesado mecánico da lugar a roturas- Calentamiento en horno produce tensiones y roturas

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30 Hoja de Ruta de la Tecnología c-Si PV

Coste del Módulo: €/Wp

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1970 - 2010

Eficiencia: 12-16%Coste mayor a 2€/Wp

Diseño fundamental todavía aplicado.

Lejos de la paridad de red

1970: Primer concepto de célula fotovotaica industrialmente

viable:

-Silicio p con dopado n en superficie

- textura superficial y antirreflectante

-Contactos metálicos imprimidos

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30 Hoja de Ruta de la Tecnología c-Si PV

Coste del Módulo: €/Wp

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2013 - 2020

Eficiencia: 17-20%Coste <2 €/Wp

Mejoras Incrementales

Emisores selectivosContactos avanzados

Textura superficial controladaEstructuras pasivadas

Uniones locales …

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30 Hoja de Ruta de la Tecnología c-Si PV

Coste del Módulo: €/Wp

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2013 - 2020

Eficiencia: 22-28%Hacia <1 €/Wp

Nuevos Conceptos

Conceptos fotovoltaicos para

alcanzar la paridad de red

Dopado Láser y Procesado Termoquímico

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Emisores selectivos Contactos localizados

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Áreas fuertemente dopadas:- Reduce las pérdidas por recombinación- Mejora la colección de portadores y eleva el voltaje- Mejora el rendimiento en estructuras altamente pasivadas (alta resitencia superficial)- Reduce la sensibilidad a faltas de homogeneidad en la calidad del material base.

Emisor selectivo

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Procesos complejos para 0.3-1% más eficiencia

Dopado con láseres pulsados Proceso simplificado en AIMEN

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Fusión localizada: solubilidad y mobilidad es mayor en el Silicio fundido para la mayor parte de los dopantes Proceso en seco a partir de una fuente sólida del dopante Pre-aplicación de la fuente de dopante por técnicas convencionales, tipo aplicadores de pintura.

Texturizado Láser y Modificación Superficial

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Hoy día se realiza por proceso químico (contaminante)

Permite aumentar la resistencia.

“Silicio negro”: fabricado por láser de femttosegundos, muy alto coste, pero extraordinaria efectividad.

20 µµ

Propuesta de AIMEN: Texturizado directo con láseres de “bajo coste”

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75 µµ 75 µµ

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Pureza superficial del 98.5%, absorción muy mejorada.Capa afectada de unas 3-5 micras. Proceso industrializable.

Proyecto Europeo: PhoSil

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Enabling Energy Efficient and Economic Photovoltaic Cell Architectures based on Advanced Laser Processing of Silicon

- Diseño de nuevas arquitecturas de celda, económicas, ultrafinas y semitransparentes, aptas para aplicaciones “Building Integrated PV”

- Estudio del procesado de silicio por láser: corte multipasada y dopado- Producción de minicélulas mediante corte láser de rebanadas gruesas- Desarrollo de tecnologías- Estudio de la sensibilidad a calidad del material de partida. Uso de rechazos

Título:

Visión:

Objetivos:

Desarrollar tecnología de producción para nuevas arquitecturas fotovoltaicas en Silicio, empleando material recuperado, de menor coste y menor espesor, con máximo aprovechamiento del silicio. Se persigue máxima eficiencia y bajo coste de producción, así como explorar mercados y aplicaciones

específicas.

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BIPV (Building Integrated PV)

Características:- Productos no estándar- Semitransparentes- Mercado en expansión

Producción:- Thin film:

- Ablación (eliminación selectiva)

- Silicio:- Células de pequeño tamaño- Espaciado entre células

Demanda:- Personalización, estética y calidad a coste moderado. Cliente no dependiente de políticas

energéticas. 27

Concepto de módulo bifacial fino: Células Sliver

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Propuesta PhoSiL

1. Fabricación de mini-células en silicio multicristalino- Uso de corte mono o multipasada sobre silicio multicristalino- Ensamblaje de módulos a partir de minicélulas- Acondicionamiento, manipulación e interconexión automatizados- Encapsulado de los módulos

2. Empleo de material de rechazo o recuperado para fabricación de minicélulas- Uso de dopado local (mediante láser) para suplir defectos locales de composición- Uso de corte láser automatizado para generar geometrías útiles a partir de células rotas

o dañadas

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CONSORCIO

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Resultados experimentales:Lasing medium Nd:YVO4

Wavelenght 1064 / 532 nm

Working principle Q-Switch

Rep. Frequency 30 kHz - 200 kHz

Minimum spot size 10

TEM00 – M2 1.1

Avg. Wall plug Power 0,22 Kw

Pulse Energy Up to 0.15 mJ

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• Ensayos de trepanado y taladrado

• Corte multipasada por ablación

• Corte sumergido y en atmósfera especial

Ensayos en silicio policristalino de calidad metalúrgica (bajo coste), 180-600 micras de espesor.

Fuente láser:

ROFIN Powerline E

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Rofin PowerLine E20/SHG

• Potencia pulsada: 8~20 W• Velocidad: 50~ 300 mm/min• En aire, o con gas de asistencia• Tamaño focal: 10 a 50 microns• Freq.: 10-20 kHz

• Zona perdida de más de 40 micras• Gran cantidad de residuos• Oxidación y residuos de sílice (blancos)• Efectos térmicos y fusión• Comportamiento anisotrópico• Rugosidad

Corte láser convencional

Resultados

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Uso de fuente SPI/TRUMPF Trufibre 400

• Potencia Láser: 100-200 W• Velocidad: 1000 mm/min• Proceso atmosférico, sin gas de asistencia

• Sin Material de desecho!! Aprovechamiento próximo al 100%• Buen control de la ubicación del corte

• A resolver: rugosidad superficial• Problemas si existen defectos internos

Parámetros

• Caminos preferentes de rotura• Tensión térmica para la separación

SEPARACIÓN TÉRMICA

Resultados

Reparación de células fotovoltaicas con láser

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• Las células solares funcionan en bloques encapsulados, denominados módulos

• Una única célula dañada compromete el rendimiento de todo el módulo, su vida útil y afecta al conjunto de la instalación

• Cada módulo (12 a 120 células) tiene un alto valor añadido

• Defectos muy locales afectan a todo el módulo

• Células con defecto: reclasificadas (clases B, C)

• ¡¡¡HASTA UN 8% de CÉLULAS SUB-PRIME!!!

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El proyecto Europeo REPTILE proporcionará una técnica automática para la reultilización de células defectuosas:

- Reuse of defective wafers and cells within the European market.

- PYMEs europeas pueden basar su actividad en producir células de geometría y propiedades especiales basadas en material reutilizado.

: Automatic Repairing of Silicon Solar Cells with Laser Technology

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• Tecnologías desarrolladas: Reconocimiento automático de daños, reparación automática por láser

de defectos, integración en línea de fabricación

REALIZACIÓN Técnica:Sistema de

Visión y Gestión de Información

Procesador Comandos

Unidad de Caracterización

Unidad de Reparación

Transfer

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Conclusiones

ü El panorama actual de renovables exige el desarrollo de tecnologías que acerquen la Energía Solar al objetivo de Paridad de Red: Romper la dependencia de las subvenciones.

ü Esta situación abre retos tecnológicos:ü Diseños de alta eficienciaü Procesos de alta productividad y bajo coste

ü Asimismo, se abren nuevas oportunidades:ü Reciclaje de “chatarra fotovoltaica” se hace interesanteü Nuevas oportunidades para tecnologías avanzadas de procesado de materialesü Nuevas aplicaciones de fotovoltaica integrada

ü El procesado láser con costes cada vez más competitivos abre nuevas vías para diseños de dispositivos fotovoltaicos innovadores 41

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Muchas gracias por su atención

CONTACTO: promero@aimen.es