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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
Efi
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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
Efi
cie
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ia (
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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
Efi
cie
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ia (
%)
2013 - 2020
Eficiencia: 22-28%Hacia <1 €/Wp
Nuevos Conceptos
Conceptos fotovoltaicos para
alcanzar la paridad de red
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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.
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Emisor selectivo
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Procesos complejos para 0.3-1% más eficiencia
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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REALIZACIÓN Técnica:Sistema de
Visión y Gestión de Información
Procesador Comandos
Unidad de Caracterización
Unidad de Reparación
Transfer
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Conclusiones
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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