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JULIO 2015

Facultad de Fisica UH

[email protected] [email protected]

CONFERENCIA 2

Módulo FV

Módulo FV

mailto:[email protected]


Conferencia 2

Aspecto multidisciplinario

El sistema FV.

La celda FV

Tipos de celdas.

Eficiencias

Producciones, evolución.

Costos

El silicio

Lideres.

+MÓDULO

BOS

INVERSIÓN INICIAL GASTOS POSTERIORES

OTROS

OBRA CIVIL

CABLEADO

ESTRUCTURA

INVERSOR

SALARIOSOPERACIÓN Y MANTENIMIENTODEPRECIACIÓN

El Sistema FV

+ Tener en cuenta los costos FV en próximos años

12

GRAN PROBLEMA

Se ab

arat

an

Gran p

arte

de

labor

COSTO DE CAPITAL, CRÉDITOS, TASAS DE INTERES

+

En 25 años Instalación


Sabem

os hac

erlo

Una par

te s

e im

porta

Otra s

e hac

e en

el p

aís



¿Hasta donde puede llegar la FV?

Estabilidad de la red en tensión y frecuencia.

Inversores: inyección de potencia reactiva.

Almacenamiento de energía eléctrica.

Redes y microredes inteligentes.

Curvas de carga “fatales”

29

Nuevos problemas donde incursiona la física

Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH

AUMENTO MULTIDISCIPLINARIO EN LA FV

• FÍSICOS CELDAS FV• QUÍMICOS ALMACENAMIENTO • ING.ELÉCTRICOS RED ELÉCTRICA• ING. ESTRUCTURAS RESISTENCIAS MECÁNICAS• ECONOMISTAS COSTOS DE CAPITAL • ING.ELECTRÓNICOS INVERSORES FV• INFORMÁTICOS COMUNICACIONES AUTOMAT .• METEORÓLOGOS PRONÓSTICO DE CORTO PLAZO• ARQUITECTOS FACHADAS DE EDIFICIOS• ENTRE OTROS

física del Estado Sólido. teoría electrónica de sólidos. física de los semiconductores. física de los dispositivos semiconductores.

El dispositivo FV, aparentemente sencillo, es un sistema físico complejo donde coinciden innumerables conceptos y parámetros físicos, sobre todo de:

La celda FV

DIELÉCTRICOS, METALES , SEMICONDUCTORES.

MECÁNICA CUÁNTICA; TEORIA DE BANDAS.

PORTADORES: ELECTRONES Y HUECOS

FÍSICA ESTADÍSTICA : CONCENTRACIÓN DE PORTADORES.

SEMICONDUCTOR PURO: INTRÍNSECO. NIVELES DE FERMI. SC TIPOS p y n: PORTADORES MAYORITARIOS Y MINORITARIOS.

GENERACION, PORTADORES EN EXCESO.

CAMPO ELÉCTRICO INTERNO: JUNTURA o UNION p-n.

LONGITUD DE DIFUSIÓN.

IMPUREZAS, DEFECTOS: RECOMBINACIÓN DE PORTADORES.

3

EL SOL


Bases físicas del dispositivo FV

Ecuación de Poisson: Las dos ecuaciones de transporte de portadores:

Ecuación de continuidad para ambos portadores:

n D q + E n q = J nnn

n) - N - p + N( q = E AD

p D q + E p q = J ppp

0 = t

n + R +G -

qJ- n

0 = t

p + R +G -

qJ- P

¿POR CUAL TECNOLOGÍA APOSTAR?

EL CORAZON DE LA ENERGÍA FV ES LA CELDA FV

Los materiales que se utilizan en la celda depende del tipo de celda y tecnología en un marco de diferentes alternativas.

17

D. Stolik

LA CELDA FV

Si poly Si mono Si cinta Si amorfo

Cd Te CISG

III-V

DyeOrgánicas

OtrasNanotecnológicas

Silicio cristalino


18Celdas FV mas importantes

Hasta hoy el material semiconductor masimportante de la industria FV ha sido el SilicioA pesar de tener transiciones indirectas en labanda prohibida y un pico de absorción algo menos conveniente que el de otros SC.

¿Por qué?

5

EFICIENCIAS RECORDS CELDAS DE LABORATORIO

EN 38 AÑOS

9

Si mono

Cd Te

CIS

Si-a


11

2009, japones Tsutomu Miyasaka 3.8%

2011, coreano Nam-Gyu Park, 6.5%

2012 ingles Michael Grätzel, 12.3%.

2014 coreano Il Seok 16.2%

17.9 Perovskita

The band gap of perovskites can be adjusted by changing their compositions to access different parts of the sun's spectrum.Credit: Dennis Schroeder

NREL Senior Scientist Kai Zhu applies a perovskite precursor solution to make a perovskite film. Credit: Dennis Schroeder

III-V GaAs 3 junturas c 44.4 %

“ 3 “ 37.9 %

“ 2 “ c 34.1 %

“ 2 “ 31.1 %

“ 1 juntura 26.4 %

Si-c mono heterojuntura c 27.6 %

Si-c mono 25.0 %

Si-c multi 20.4 %

Si-c capa delgada 20.1 %

CIGS 20.8 %

Cd -Te 20.4 %

Si–a amorfo 13.4 %

Perovskita 16.2 %

DYE sensibilizadas 11.9 %

Orgánicas 11.1 %

Quantum dots 8.6 %

EFICIENCIAS RECORDS CELDAS DE LABORATORIO 2013

Resto 0.5 %

91.8 %

Producción industrial hoy

% Producción industrial hoy

7.7 %

29.8 %

62 %

1.9 %

3.9 %1.9 %

Dr. Daniel Stolik

9

In Ga P 1.82 eV

In Ga As 1.40 eV

Ge 0.65 eV

DIFERENCIA ENTRE LABORATORIO E INDUSTRIA.

LABORATORIO:Producciones ínfimas. No importa el tiempo utilizado.Procesos por lotes (BATCH).No importa el número de pasos.Áreas muy pequeñas.Poco material.Pueden salir mal muchas veces.

D. Stolik

20

INDUSTRIA:Producciones masivas.El tiempo utilizado es fundamental.Procesos continuos automatizados.Mínimo de pasos de producción. Áreas mientras mas extensas mejor.Mucho material (economía de escala).Es determinante que salgan bien (yield).

LAS PLANTAS PILOTOS

EL SALTO DEL Cd Te

2006 181 MW

2007 400 MW

2010 > 1400 MW

2011 > 2000 MW

5

BAJA LIGERAMENTE EN EL 2012……………..

EL SALTO DEL CIS/G

2009 180 MW

2010 439 MW

2011 1285 MW

6

D. Stolik Dr. Daniel Stolik, Prof. Titular. FF- UH, Investigador Consultoría FV - IMRE-UH

4

Celda FV

SILICIO

LA PRODUCCION DE Si sog GALOPA.

1980 401990 800.

2001 2 0002007 30 0002009 92 000.2010 145 000

FV (20 %)

TONELADAS.

2014 260 000

FV (80 %)

FV (98 %)

14

Si sog

Reactores Siemens

De > 200 kWh / kg ANTES

a 35 - 50 kWh / kg HOY

Si puro Gasto eléctrico


16

En 2008 llegó a > $ 400.00 USD/kg.

Hoy $17.00 USD/kg.


15 pureza grado solar: El SILÍCIO

OBLEA POLICRISTALINAD SILICIO

Disminución del espesor : De 350 mm a 160 mm

Para el 2020 el espesor será de unos 100 mm

17


Disminuye la cantidad de silicio por celda

De mas de 13 g / Wp

A pasado a : 7 g / Wp

Y continúa disminuyendo

CELDAS DE Si CRISTALINO 21 X 21 cm.


18

Costo Wp en silicio y obleas de los módulos FV de Si-c

$0.60/W

$0.20/W

$0.37/W

$0.23/W $0.12/W

$0.08/W

POLISILICIO

PROCESAMIENTO DE OBLEAS

DISMINUCIÓN EN 6 AÑOS

2008 2014201320122011 20102009$0.00

$0.10

$0.20

$0.40

$0.50

$0.60

$0.70

Dr. Daniel Stolik Prof. Titular. FF- UH, Consultoría FV - IMRE-UH

1983

10 MW

1997

100 MW

2004

1 000 MW

2009

10 000 MW

2017

100 000

1 MW

1978

5 años

14 años 7 años 5 años 8 años

MWp / año

18 % 59 % 30 %

Stolik

La FV en 35 años

1

10

100

1000

10000

100 000

1971 años

ANUAL

39 %

Producción mundial Celdas FV.


11

2005

20 %

15 %

10 %

5 %

0 %2009 2013 2017

16 %

9 %7 %

Producción % de celdas en capas delgadas

Si amorfo

13


Cd Te CIGS

Producción mundial Celdas FV industriales

SUPERESPECTACULAR INCREMENTO ANUAL DE CELDAS FV

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

287 401 560 750 1256 1815 2536 4279 7910 12500 27200 35000 38500

47 40 39 34 68 45 40 69 85 56 118

95 veces

30 10

%


Y continuará aumentando

en Mw.

12

2014

50 000

EL PRECIO DEL Wp en USD de la CELDA SOLAR CAYÓ 250 VECES

DE $76.00 USD/Wp en 1977 a $ 0.30 USD/Wp en 2015

Fuente Bloomberg New Energy & pv.energytrend.com

HOY LA CELDA FV CONSTITUYE APROXIMADAMENTE UN 10 % DEL

COSTO FINAL DEL SISTEMA FV

9DISMINUCION DE COSTOS DE LA CELDA SOLAR

% 1999 2009 2010 2011 2014Si mono Si multi Si-C

CdTe

CISG Si-a

C.D. TOTAL

PRODUCCIÓN en % POR TIPO de CELDAS


37,4 34,1 33.2 30.9 29.8

42,1 46,9 52.9 57 6279.5 81.0 86.1 87.9 91.8

0.5 9 5.3 5.5 3.90,2 1,7 1.6 2.4 1.9

12,3 6,1 5 3.4 1.913 16.8 11.9 11.3 7.792.5 97.8 98 99.2 99.5

200 12 500 27 200 35 500 50 000 MW

Primeras 10 empresas de celdas FV en 2013

20131 Yingli China2 JA Solar China3 Trina China4 Neo Solar Taiwan5 First Solar. EEUU6 Motech Taiwan

7 Jinko China8 Gintech Taiwan9 CSI China

10 Hareon Solar China

6 son Chinas

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

CAPAS DELGADAS

Si-a-µc-Si

CIGS

CdTe

SILICIO CRISTALINO

Si-C Multi EF tipo p

Si-C Multi tipo p

Si-C Mono EF tipo p

Si-C Mono tipo p

Si-C Premium tipo n

8 %

92 %

Si-C Multi EF

EF – Mayor eficiencia

MODULOS FV

Multi EF 17 - 19 %

Mono EF 20 - 22 %

100 %

0%

50 %

25 %

75 % 56 %

22 %

EF19 %

CAPAS DELGADAS

SILICIO MULTI

SILICIO MONO

Si-C Multi

Si-C MONO EF

Si-C MONO

Si-C MONO STANDARD y PREMIUM

EF21%

11

PASIVACION POSTERIOREMISORES SELECTIVOSSERIGRAFÍA DOBLEIMPLANTACION IONICACONTACTOS POSTERIORES

1918




MAÑANA Conferencia 3

El modulo FV

Componentes

Eva, tedlar, vidrio, aluminio, sellantes.

Industria

El Wp

Producciones

Costos

El resto del sistema, inversores, estructuras.

GRACIAS

La energía FV: ventajas y desventajas. Escenarios actuales. Contradicciones. Costos. El sistemaFV. Tipos de celdas FV. Comparaciones. Eficencias. Retos. Tecnología del silicio. Silicio gradosolar. El módulo FV. El resto del sistema FV. Aplicaciones FV. Desarrollo mundial de la FV. LaFV y las redes eléctricas: perspectivas. Fortalezas y barreras para el desarrollo de la FV en Cuba.Estrategias: productiva y científico-técnica. Las investigaciones FV. Proyecto del Lab. Nacional

20 RAZONES DEL SILICIO EN FV

1. ES SUPER ABUNDANTE EN EL PLANETA2. LA PRODUCCION DE SI SOG GALOPA. 3. DISMINUYE EL GASTO ELÉCTRICO PARA OBTENER 1 Kg DE SILICIO PURO.4. DISMINUYE EL PRECIO DEL SI SOG (material). 5. DISMINUYE EL ESPESOR DE LAS OBLEAS DE SILICIO. 6. DISMINUYE LA CANTIDAD DE GRAMOS DE SILICIO POR CELDA7. LAS MAYORES INVERSIONES EN FÁBRICAS DE SILICIO, CELDAS Y PANELES8. MENOR DIFERENCIA ENTRE CELDAS DE LABORATORIO VS INDUSTRIA. 9. EN AMBAS (LAB. E IND.) CONTINUA LA I+D DEL SILICIO 10. CONTINUA SU EVOLUCIÓN TECNOLOGICA VS OTROS TIPOS DE CELDAS11. LA MAYOR EFICIENCIA INDUSTRIAL DE TODOS LOS TIPOS DE CELDA12. TECNOLOGÍA MAS MADURA. 92 % es SI-C 13. CONTINUA EL AUMENTO DE LA EFICIENCIA DE LAS CELDAS A > 20%.14. LA NANOTECNOLOGÍA PUEDE MEJORAR LAS CELDAS DE Si-C15. GRAN ACCESIBILIDAD INDUSTRIAL DE LA CELDA FV DE SILICIO16. SE PERFECCIONA LA AUTOMATIZACIÖN INDUSTRIAL DE LA CELDA DE SI17. LIDERA LA PRODUCCION DE ULTIMOS 10 AÑOS % POR TIPOS DE CELDAS.18. LAS DE Si CONFORMAN LOS MÓDULOS MAS DURADEROS.19. EL RECICLAJE (SILICIO PURO, VIDRIO, ETC.,NO TOXICO)20. CONTINUARÁ LA DISMINUCIÓN DEL COSTO EL Wp

D. Stolik

LA CELDA FV de Silicio (Si-C)2

Horno de arco

PurificaciónSiliciometalúrgico

DeposiciónSi puro sólido

Crecimientocristalino

Corte en obleas

Procesamientofinal

CELDA

Pureza 99.999999 %

400

300

200

100

USD/ kg $ 475

$ 17

28 veces

2013

2008

2004 2014 2006 2008 2010 2012

TONELADAS

2 0002 001

350 0002 014

PRECIO




44.4 % AsGa + …

27.6 % Si-c mono concentración

25 % Si-c mono

20.4 % Si-c poly 20.8 % CISG

20.4 % CdTe

13.4 % Si-a11% Dye sensibilizadas

6% Orgánicas

D. Stolik

CdTe

CIGS

Si:a

EFICIENCIAS RECORDS DE LABORATORIO HOY19

26.4 % AsGa

http://www.solarnavigator.net/sovereign_harbour_eastbourne.htm

1999 2009 2014

PRODUCCIÓN en % POR TIPO de CELDAS

37,4 34,142,1 46,9 6279.5 81.0 91.8

0.5 9 3.90,2 1,7 1.9

12,3 6,1 1.913 16.8 7.7

92.5 97.8 99.5

200 MW 12 500 MW 48 000 MW

29.8

10

% Si mono

Si multi

Si-C

CdTe

CISG

Si-aCapasDelgadas

TOTAL %

+

=

+

+

=

Si-C

PREDOMINIO




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