La energ a fotovoltaica en el contexto energ tico actual

La Energía Fotovoltaica en el
Contexto Energético Actual
Antonio Luque
Instituto de Energía Solar, ETSIT, UPM
Workshop de la Red de Pilas de Combustible,
Baterías Avanzadas e Hidrógeno CSICUniversidad 2006.
Sevilla, 22 de mayo de 2006
Some PV installations
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Einstein explica la interacción luz-corriente
Premio Nobel en Física 1921
Por sus servicios a la Física
Teórica y especialmente por
su descubrimiento del efecto
fotoeléctrico
Albert Einstein, “Über einen Erzeugung und Erwandlung des
Lichtes betreffenden heuristischen Sichtspunkt”Annalen der Physik,
17, 132 (1905)
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
El efecto fotovoltaico
banda de conducción
entrega se electrones de
alta energía libre
retorno de electrones de
Efh
baja energía libre
bombeo
óptico
Efe
banda de valencia
Puede haber un descubrimiento radical. No será
ostensible en el mercado antes de 10 años
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Photovoltaic markets grow explosively
Dots: several
sources: mainly
Paul Maycock, PV
news years
successive and
Photon
International,
March 2004
Lines: high and low
forecasts in the
model of A. Luque
Progress in
Photovoltaics 9
(2001) 303
World volume of sales (MWp).
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
Average yearly growth
between 1996-2004
Photovoltaics: 33.4%
Semiconductors: 6.2%
In 2004: PV es 1.7% of
semiconductors
400
200
0
1970
1975
1980
1985
1990
Year
1995
2000
2005
2010
Forecast: PV will supply and important % by mid XXI century
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Principales países productores en 2004
128.5
44.7
85.3
616
138.7
178
PV News, 24,
March 2005, 1-4
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Japón
Alemania
EEUU
España
Resto de Europa
Resto del mundo
Los diez principales fabricantes mundiales en 2004
MWp
0
PV News, 24,
March 2005, 1-4
50
100
150
200
250
300
350
Sharp
Kyocera
BP Solar
Q-Cells
Mitsubishi
Isofotón, un spin-off
de éxito de la UPM,
caso único en el
mundo
Shell Solar
Sanyo
Isofotón
RWE
Deutsche Cells
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Totalizan el
77.5% del
mercado
mundial
Multiplicity of technologies in PV
Courtesy of Wim Sinke
X-tech
4
2005
c-Si
3
Industrial
s
tion
era
gen
&
i
tf-S
SS
C IG
gy
module price (€/Wp)
ilies
lo
hno
tec
o
nol
h
c
te
am
gy f
2010
2
OSC
2020
1
new concepts
>2030
0
0
5
10
15
module efficiency (%)
tf-Si = thin-film silicon
CIGSS = copperindium/galliumselenium/sulfur
c-Si = wafer-type
crystalline silicon
X-tech = concentrator
technology
OSC = “organic” solar cells
new concepts =
advanced versions of
existing technologies
& new conversion principles
20
25
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
(free after
W. Hoffmann)
Technologies in the market (2005)
Productions mondiales de cellules par technologie (MWc)
2000
1800
Source: A.
Ricaud, La
Lettre du
Solaire, 6(4)
Avril 2006
CIS
µcSi
1600
CdTe
1400
a-Si:H
1200
Ribbon
a-Si:H sur CZ
1000
sc-Si
800
mc-Si
600
400
200
0
2001
2002
2003
2004
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
2005
Fabricación de células por serigrafía
1.Texture etching
η≈15%
3. Plasma
etching
5. Al/Ag screen printing &
annealing
4. TiO2 AR
coating
2. P-diffusion
Al
n+
metal
6. Ag screen printing &
annealing
TiO2
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Difusión
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Crystalline Si growth
inductive heating
liquid
silicon
solid-liquid
interface
dircetionally solidified
silicon
DC Wafers,
León
directionally solidified
silicon
solid-liquid
interface
inductive heating
liquid silicon
Silicio Solar,
1: quartz crucible, 2: graphite crucible,
Puertollano
3 : heater, 4 : current supply
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
casting
crystallization
MG Silicon Manufacturing
Electrodes (1 m diameter)
Arc furnace
SiO2+2C→Si+2CO
•Reduction of quartz with coal with arc furnace
•Product: mg silicon (purity, 98%). Price: 1€/kg
•World production ≈1 MT/año), purified for electronics 15.000 T.
and Solar 5000
•In Europe Elkem (No), Ferroatlántica (ES), Pechiney (F)
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Producción de silicio de grado electrónico
Reactor de lecho fluido
Silicio de grado
electrónico
Columnas de destilación
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
PolySilicon industry structure
Concept (data 2004)
unities
PV modules
(Million US$)
3,600
Electronic Semiconductors
Silicon (total)
Silicon for solar cells
Silicon for electronics
Si cost for solar cells
Si cost for electronics
Fraction of Si cost in solar cells
Fraction of Si cost in electronics
Companies manufacturing Si
Average Si factory size
Average Si factory size
Si use in big electronic company
Si use in big solar cells company
Si use in big company of the future
(Million US$)
(Tm)
(Tm)
(Tm)
(Million US$)
(Million US$)
213,027
33,520
14,400
19,120
720
1,338
20.00%
0.63%
9
3,724
229
134
72
360
(Tm)
(Million US$)
(Million US$)
(Million US$)
Amount
Source
Markets: Paul Maycock, PV news. March
2005; average unitary cost estimated, 3
B. Mahon and L. Gehardy, Q4 Global
Technology Data Book, Morgan Stanley,
2005
A Ricaud, La letter du Solaire, Cytelia, 2005
at 12 g per watt
the rest
at $50/kg
at $70/kg
A Ricaud, La letter du Solaire, Cytelia, 2005
1/10 total revenues
1/10 total revenues
5 times bigger than in 2004
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
IES actions for silicon hyperpurification
• Epitaxial Si cells
• Quasi Metallurgical
purification schemes
• Dissemination and
adaptation of the
classical purification
schemes
• The joint venture
CENTESIL (~15M€)
• Partners
•
•
•
•
•
UPM/IES
UCM/DCE
Isofoton
DC Wafers
Tecnicas Reunidas
• Purpose: pilot plant of 50
TM/year to adapt classical
purification
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Producción de silicio de grado electrónico
Reactor de
lecho fluido
Columnas de
destilación
Reactor
Siemens
HCl3Si
Si gm
300 ºC
1200 ºC
Si ge
ClH
Triclorosilano
ultrapuro
3HCl+Si (gm)→HCl3Si+H2
SiCl3H
H2
4HCl3Si+H2 → Si (ge)+3SiCl4+3H2
•Materia prima: Si gm
•Producto: Si grado semiconductor (pureza 99.9999999%)
•De las 35.000 T/año, 20000 T se dedican al fotovoltaico.
•Consumo de gran cantidad de energía. El coste se multiplica por 50
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
About the project: Motivation
Need for a Breakthrough
RIGES Scenario
A.Luque, Prog. in Photov, Research and
Applications, 9:pp. 303–312 (2001).
Conventional
solar cells
waste photons
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
FULLSPECTRUM: A EU Integrated Project
IES Instituto de Energía Solar
PSE Projektgesellchaft Solare Energiesysteme
Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme
IOFFE Physico-Technical Institute
CEA Dptm. Technologies des Energies Nouvelles
RWE Space Solar Power
Philipps Universität Marburg
PSI Paul Scherrer Institute
University of Glasgow
CSIC Consejo S. de Investigaciones Científicas
ECN Energy Research Center Netherlands
University of Utrecht
Solaronix
Isofotón S.A.
Inspira S.L.
Joint Research Centre - IES
University of Cyprus
Fraunhofer Institut für Angewandte Polymerforschung
Imperial College of Science, Medicine & Technology
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Multi-junction solar cells
•A multijunction solar cell is
a stack of single gap solar
cells. Cell “1”, placed on
top, has the broadest of
the gaps. The rest of the
cells are ordered with
decreasing gaps. Each of
them absorbs those
photons whose energy
ranges its own gap and the
one of the cell in front of it.
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Growth of dual junction: GaInP/GaAs (I)
Conservative design:
• No BSF for TC.
• TJ: Zn as dopant, no barrier layers, GaAs (absorption).
IES-UPM
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Some characteristics in manufacturing
•Concentration rations higher than ever before
(1000X) are envisaged to tackle with high cell
costs. Angular acceptance (0.3-0.7º, depending
on the optics) affects very much the achievable
concentration and poses important requirements
in manufacturing & tracking
•Microelectronic manufacturing techniques
(LEDs) are being considered do deal with the
small cell size for highest concentration
•Trackers with the required accuracy for low
cost are needed. A high precision measurement
tool has been developed for the tracker design
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
New generation concentrator manufacturing
Metalic wire
In
su
la
to
r
Back Contact
Front
Contact
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
New generation concentrators
According to a plan of the IES-UPM a new
Institute for CPV Systems has been created in
Spain that will issue a call for tenders to install ~3
MW of concentrators from at least 3 suppliers
CEO & CTO sought: details at
www.ies.upm.es
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
REVOLUTIONARY PHOTOVOLTAIC DEVICES:
50% EFFICIENT SOLAR CELLS
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Células solares de banda intermedia
• Una realización factible de
la IBC consiste en usar
gotas cuánticas. Puesto
que una gota cuántica es
capaz de producir un nivel
electrónico en el
semiconductor anfitrión se
espera que una superred
de gotas cuánticas
produzca una banda
intermedia
•La célula de banda intermedia (IBC) aprovecha las absorciones de fotones de energía
inferior a la bada prohibida a través de una banda intermedia medio llena colocada en
ella. La absorción del fotón 1 excita un electrón desde la banda de valencia (VB) hasta la
intermedia mientras que la absorción del fotón 2 bombea un electrón desde la intermedia
hasta la de conducción (CB). Así, en dos pasos, se consigue trasladar un electrón de la
VB a la CB
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Niveles radiativos
A.Martí, N.López,
E.Antolín, E.
Cánovas, C.Stanley,
C.Farmer, L.Cuadra
and A.Luque,
“Novel
Semiconductor
Solar Cell
Structures: the
Quantum Dot
Intermediate Band
Solar Cell”, Thin
film and nanostructured materials
for photovoltaics,
Strasbourg (2005),
in press
}
1.062 eV
124-255 meV
1.416 eV
1.388 eV
1.002 eV
1.317 eV
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Células de BI basados en puntos cuánticos
Also selected for
Virtual Journal of
Nanoscale Science
& Technology,
August 29, 2005
µCI
µCI
⎛ ph ε 32QE (ε 3 )
⎛ ε − ε ⎞⎞
= kT ln⎜⎜ RCVIV 2
exp⎜ 1 3 ⎟ ⎟⎟
ε 1 QE (ε 1 )
⎝ kT ⎠ ⎠
⎝
A. Luque, A. Martí, N. López, E. Antolín, E. Cánovas,
C. Stanley, C Farmer, L.J. Caballero, L. Cuadra and
J.L. Balenzategui. Appl. Phys. Lett. 87, 083505 (2005).
Sample
ε3
(nm)
ε1
(nm)
QE(ε3)
/QE(ε1)
ph
RCVCI
µCI
A
1120
900
.00267
/.00906
.115
/1
.112
B
1165
890
.00185
/.1263
.489
/1
.187
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
En busca de nuevos materiales de BI
TiGa31As32
P. Palacios,
J. J.
Fernández,
K. Sánchez,
J. C. Conesa,
and P.
Wahnón,
Phys Rev B
73 085206
(2006)
TiGa31P32
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Conclusiones
•La energía fotovoltaica va a ser notable en el siglo XXI y va originar
una actividad económica muy importante.
•España tiene -como nunca en el pasado- una posición relevante en este
nuevo sector económico.
•La integración de la estructura científica y la industria es ejemplar en
España (a nivel mundial). La UPM ha dado lugar a un spin-off
(Isofotón) de éxito singular.
•El desarrollo del mercado español está en efervescencia.
Probablemente va a propiciar el desarrollo mundial de la tecnología
fotovoltaica de concentración.
•En la UPM estamos en cabeza en la búsqueda de nuevos conceptos.
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Previsiones a largo plazo
10000
High pc/p0
Cumulated sales (GWp)
1000
100
Ci0=$10B
Quick learn.
10
Ci0=$5B
1
0,1
A. Luque
Progress in
Photovoltaics 9
(2001) 303
Ci0=$2.5B
dots: 22% (2025)
and 34% (2050) of
World electric
consumption
0,01
1990
2000
2010
2020
2030
2040
2050
2060
Year
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Perdidas inevitables en las células actuales
•Las células solares
convencionales, de bada
prohibida única, hacen un
uso ineficaz del espectro
solar. Por una parte los
fotones de energía inferior
no pueden absorberse,
por otra, en los fotones
más energéticos, el
exceso sobre la banda
prohibida se pierde por
emisión de fonones.
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
En busca de nuevas ideas
Instituto de Energía Solar - Universidad Politécnica de Madrid
(coordinator)
www.ies.upm.es
Projektgesellschaft Solare Energiesysteme mbH
www.pse.de
Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme
www.ise.fhg.de/III-V
Ioffe Physico-Technical Institute
www.ioffe.rssi.ru
CEA-Départment pour les Technologies des Energies Nouvelles
www-leti.cea.fr
RWE - Space Solar Power
www.rwe.com
Philipps University of Marburg
www.ub.uni-marburg.de
Paul Scherrer Institute
www.psi.ch
University of Glasgow
www.elec.gla.ac.uk
Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. Consejo Superior de
Investigaciones Científicas
www.icp.csic.es
Energy Research Centre of the Netherlands
www.ecn.nl
University of Utrecht
www.uu.nl
Imperial College of Science, Medicine and Technology
www.ess.ph.ic.ac.uk
Fraunhofer-Institut fuer Angewandte Polymerforschung
www.iap.fhg.de
Solaronix
www.solaronix.com
ISOFOTON S.A
www.isofoton.es
INSPIRA S.L
www.inspira.es
Joint Research Centre - Institute for Environment and Sustainability
ies.jrc.cec.eu.int
University of Cyprus
www.ucy.ac.cy
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Concentradores: Situación española
• España posee reputación en concentración fotovoltaica, en la que se
trabaja desde 1976 (primer tratado internacional sobre el tema: A
Luque, Solar Cells and Optics for Photovoltaic Concentrators, Adam
Hilger, Bristol, 1989)
• Ha liderado la mayor planta de demostración experimental de
concentración del mundo, EUCLIDES 1998)
• Existe industria con un producto avanzado de concentración
(ISOFOTON-IES)
• Se acaba de implantar en España una fábrica con tecnología USA,
(Guascar-AMONIX).
• Lidera un proyecto europeo (FULLSPECTRUM) con 19 centros para
desarrollar células del alta eficiencia que usan o usarán concentradores
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Silicio solar español
Purificación de silicio metalúrgico.
270 gr con las siguientes impurezas:
B-- 25 ppm
C--90 ppm
O-- 25 ppm
P--12 ppm
Ca-- 0,6 ppm
N-- 50 ppm
Fe-- 30 ppm
Al-- 3,2 ppm
PRIMERAS CÉLULAS
Colaboración: Ferroatlántica, UPM-IES,
Instituto de Cerámica de Galicia, IKZ (Berlín)
4 cm 2
C ondiciones
estándar
S E M ILLA
C O LA
J S C (m A/cm 2 )
V O C (m V )
FF
η (% )
21.35
21.87
612.2
613.7
0.773
0.797
10.10
10.70
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Otro proyecto: Células de Silicio epitaxial
Si epitaxial
(alta pureza, 20 µm)
Sustrato Si gm
(baja resistividad, 300 µm)
Venteo
Proyecto V Programa Marco EPIMETSI
Isofotón; Instituto de Energía Solar,
UPM; Dep. Ingeniería Química, UCM;
IMEC...
Silicio gm
Intercambiador
de calor
Recirculación
de gases
Bomba de
recirculación
Sustratos
Reactor
epitaxial
Síntesis de
SiH4 ó SiH2Cl2
Gas portador H2
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Reactor epitaxial de gran capacidad (SSR)
Salida de gases
Sustratos de silicio gm
Paredes doradas
Flujo vertical
Sección de un interducto
Antecámara
Electrodo
Susceptores de grafito
Entrada
de gases
Empaquetamiento denso de los sustratos
Calentamiento directo por efecto Joule
Recirculación de gases
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Vista General del SSR
PANEL DE GASES Y
CONEXIONES
ELÉCTRICAS. Y
PRECÁMARA DE
DISTRIBUCIÓN DE
GASES
En la parte inferior, se
aprecian unos raíles
sobre los que se desliza
la carcasa de cierre
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06
Reactor epitaxial rápido de EPIMETSI
Intercambiador
Emergencia de
gases
Cámara
depósito
Transfo +
tiristores
Cabina de
gases
Soplador +
motor
Bomba de vacío
Luq ue,CSIC-UNIVERSIDAD,22-05-06