Newsletter. January En qué consiste el proyecto INDUCIS? Cuáles son los objetivos más destacados? 2. En qué tecnología se basa?

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1 Newsletter January 2012 Entrevista al Prof. Alejandro Pérez-Rodríguez Group Leader de Materiales y Sistemas Solares (IREC) Interview to Prof. Alejandro Pérez-Rodríguez (Spanish version) 1. En qué consiste el proyecto INDUCIS? Cuáles son los objetivos más destacados? El proyecto INDUCIS (FP7-PEOPLE-2011-IAPP, Marie Curie Insdustry-Academia Partnerships and Pathways), es un proyecto de transferencia de conocimiento y para el establecimiento de sinergias de cooperación entre nuestro Instituto de Investigación (IREC) y la industria fotovoltaica (en este caso la compañía francesa NEXCIS) para el desarrollo e implementación industrial de tecnologías avanzadas en el campo fotovoltaico. El proyecto busca explotar el potencial de las tecnologías fotovoltaicas en capa delgada basadas en la utilización del material CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) para obtenerceldas de alta eficiencia, junto con las ventajas de los procesos basados en el electrodepósito para la implementación industrial de técnicas de bajo coste, altamente atractivas para la industria en su carrera para conseguir en pocos años costes bajos de inversión en las plantas fotovoltaicas y que los KWh producidos sean más baratos y sin la necesidad de primas respecto de producidos a partir de combustibles fósiles.. Aumentar la competitividad de estas tecnologías requiere un gran esfuerzo en la mejora de la eficiencia de los módulos fotovoltaicos. En esta línea, Los objetivos científicos más relevantes del Proyecto son: a. Disminuir la brecha de eficiencia de las celdas solares basadas en procesos electroquímicos de aquellas fabricadas con procesos convencionales en fase vapor (PVD), que son mucho más costosos. Actualmente los módulos preparados a partir de celdas solares electrodepositadaspresentan una eficiencia entre un 30-40% menor que los valores obtenibles con tecnologías PVD. Sin embargo, los menores costes de inversión y producción las convierten en altamente atractivas para la industria. b. Mejorar la producción y el rendimiento de los procesos ED mediante la implementación de herramientas de control de calidad y de monitorización de procesos, especialmente pensadas y diseñadas para la industria fotovoltaica. Con estos objetivos en mente, INDUCIS involucra un consorcio formado por nuestro Instituto y una empresa de la industria fotovoltaica (NEXCIS), que presentan competencias altamente complementarias. El proyecto explota la gran experiencia del grupo de ingenieros e investigadores de la compañía NEXCIS en el desarrollo industrial y escalado de procesos de electrodepósito para tecnologías CIGS, junto con los conocimientos de los investigadores de IREC en la tecnología fotovoltaica en capa prima y en la caracterización avanzada de materiales y procesos, fundamentalmente en las aplicaciones para el análisis y monitorización en líneas de producción. 2. En qué tecnología se basa? El corazón del proyecto INDUCIS es el desarrollo de técnicas de electrodepósito para su aplicación en la industria fotovoltaica de capa fina. El proceso que se desarrolla en NEXCIS a gran escala (y que IREC dispone también a escala de laboratorio), se basa en el electrodepósito de capas metálicas sucesivas de Cobre, Indio y Galio sobre un sustrato (normalmente una una placa de vidrio cubierta con una capa de Molibdeno). Una vez se tiene esta multicapa, se procede a un tratamiento térmico en un horno especial que contiene Selenio en fase vapor. La reacción controlada del Selenio con las capas metálicas provoca la síntesis del compuesto de interés (CIGS).

2 Evidentemente el control de ambas etapas, tanto el electrodepósito de las capas metálicas como su posterior selenización son fundamentales para el desarrollo final de esta tecnología. En particular, el electrodepósito es una técnica ampliamente utilizada en la industria metalúrgica dadas sus inherentes características para obtener capas metálicas muy delgadas y de alta calidad. Sin embargo para su aplicación en tecnologías fotovoltaicas se debe ir un paso más allá, ya que las capas metálicas deben de presentar además una gran uniformidad a nivel nanométrico, una muy alta pureza y un alto grado de compatibilidad entre las distintas capas que deben depositarse. Por lo tanto, aunque el trabajo de base que se conoce de la industria metalúrgica es muy valioso, se necesita un gran esfuerzo en investigación y desarrollo de dichos procesos para adaptarlos a los requisitos de un material utilizable en celdas solares.del mismo modo, los procesos de selenización requieren aún un desarrollo a nivel industrial ya que se han utilizado hasta ahora sólo a escala pre-industrial. En cuanto a las celdas solares de CIGS, para mostrar la complejidad de las mismas, en la siguiente figura se observa un esquema de uno de estos dispositivos. Como se puede ver se trata de un sistema muy complejo formado por varias capas, comenzando por el sustrato o soporte, generalmente de vidrio, el contacto metálico trasero que es el molibdeno (que normalmente se deposita por pulverización catódica), el corazón de la celda que es el material activo es decir el CIGS, una capa extremadamente fina (de menos de 100 nanómetros de espesor) de sulfuro de cadmio depositada generalmente por la técnica de baño químico, y finalmente las capas ventana transparentes superiores que son una bicapa de óxido de zinc y óxido de zinc dopado con aluminio (que se preparan también mediante la técnica de pulverización catódica). Esto implica que aparte de la complejidad para obtener la capa activa de CIGS, la preparación de dispositivos fotovoltaicos de segunda generación requiere el manejo y control de múltiples materiales y técnicas experimentales. Esquema de una celda solar basada en CIGS. 3. Qué aportará el grupo de investigación de Materiales y Sistemas para la Energía Solar de IREC? Nuestro grupo es un grupo de referencia a nivel Europeo en tecnologías fotovoltaicas basadas en CIGS y muy especializado en la caracterización estructural (fundamentalmente por espectroscopia Raman) y composicional. Dada la fuerte necesidad de materiales para la producción en masa de módulos fotovoltaicos y el hecho de que algunos de ellos como el indio o el galio son escasos (lo que puede constituir un factor limitante en el desarrollo de la energia fotovoltaica) en estos últimos años IREC se ha especializado también en la tecnología incipiente basada en una nueva familia de materiales que son las kesteritas: Cu2ZnSn(Se,S)4. A diferencia del CIGS, estos compuestos están formados únicamente por elementos abundantes en la corteza terrestre. Además, desde hace un año hemos construido y consolidado un nuevo laboratorio de producción de celdas solares de capa fina de hasta 10 x 10 cm2 de área, con equipamiento de última generación con el apoyo de nuestros patronos, del gobierno regional de Cataluña y el de España, y con las ayudas mediante fondos FEDER de la Unión Europea. Cabe destacar que nuestro laboratorio es uno de los pocos en España capaz de construir celdas solares de capa fina por completo, desde la preparación de los sustratos vidrio/molibdeno, hasta la terminación de la celda con las capas superiores de óxido de zinc. El grupo de investigación de Materiales y Sistemas para la Energía Solar de IREC (actualmente formado por 10 investigadores), aportará principalmente en este proyecto su inestimable experiencia en técnicas de caracterización ópticas a nivel on line/in situ, para ayudar a NEXCIS a desarrollar, validar e implementar metodologías de monitorización y control de calidad de sus procesos industriales. Uno de los puntos débiles en el desarrollo en general de las técnicas de preparación de materiales en la industria fotovoltaicas, y en particular en los procesos de electrodepósito es la falta de instrumentos de caracterización y control on-line que sean capaces de detectar y corregir desviaciones en los procesos durante la producción. Dada la complejidad de una celda fotovoltaica, detectar cualquier tipo de desviación durante el proceso de producción es fundamental para su corrección inmediata o para descartar material defectuoso, que de otra forma llegaría a convertirse en una celda solar con una calidad inferior a la aceptable, y que elevaría los costes de producción al no interrumpir la cadena a tiempo. Estas herramientas permitirán a la industria fotovoltaica tener metodologías adaptadas a sus procesos que permitirán obtener un ahorro significativo en los costes de producción. Nuestro grupo aúna un conocimiento profundo en técnicas de caracterización de alto interés para la monitorización y control de procesos, a la vez que dispone y maneja adecuadamente todas las tecnologías necesarias para producir una celda solar.

3 4. Con qué nuevos materiales se está trabajando en este proyecto? Qué prestaciones ofrecen con respecto al Silicio? En cuanto a la primera parte de la pregunta, en realidad en este proyecto no se trabaja exactamente con un nuevo material, sino que se aportan nuevos procesos y tecnologías para obtenerlo de forma más competitiva. El CIGS se está investigando desde hace 15 ó 20 años aproximadamente, y ya ha demostrado sobradamente su potencial como material fotovoltaico. De hecho, ya hay empresas en el mundo que comercializan módulos fotovoltaicos de CIGS aunque hoy por hoy a precios aun mayores que el silicio y el telururo de cadmio, sus competidores más cercanos. El mayor precio del CIGS respecto a estas dos tecnologías se debe a dos factores: los módulos que presentan alta eficiencia de conversión se preparan por técnicas que requieren de procesos de alto vacío, lo que encarece los procesos de producción; mientras que los módulos que se preparan con técnicas a presión atmosférica (como el electrodepósito) presentan eficiencias más bajas aunque con costes mucho menores. Como a corto plazo no se espera que las técnicas de alto vacío abaraten sus costes, es mucho más atractivo intentar mejorar los procesos de producción de bajo coste para tener un impacto positivo real en las eficiencias de conversión que se obtienen hoy en día. Es por eso que el objetivo fundamental del proyecto INDUCIS es desarrollar, comprender y mejorar estas técnicas de bajo coste, para poder ayudar a incrementar la eficiencia de estos dispositivos, lo que tendría un impacto económico clave en la industria fotovoltaica para acometer sus retos de obtener costes de instalación por debajo del euro/vatio pico o costes del KWh por debajo de los 8 céntimos de euro. En cuanto a la segunda parte de la pregunta, las prestaciones que presenta el CIGS en particular, y los materiales de capa fina en general respecto al silicio son múltiples. En primer término debemos separar al silicio en dos tipos de tecnologías, la relativa al silicio monocristalino y microcristalino, y la relativa al silicio amorfo y/o nanocristalino. Las primeras dos son las tecnologías clásicas de silicio que actualmente dominan el mercado fotovoltaico Sin embargo el silicio no es un material que presente propiedades físicas óptimas como material fotovoltaico, al contrario del CIGS que sí que cumple los requerimientos ideales como material fotovoltaico. Por ejemplo, la absorción de luz en el espectro visible del silicio es mucho menor que la del CIGS, lo que explica que se necesiten espesores mucho mayores de Si que de CIGS para absorber la misma cantidad de luz, encareciendo la tecnología del Silicio. Además, los requisitos de trabajo con materiales de muy alta pureza y los efectos de contaminación del material son mucho más estrictos en el Si que en los materiales de capa fina. Por último, el CIGS y todos los materiales relacionados, materiales II-VI, tienen un potencial mayor de crecimiento, ya que primero pueden alcanzar eficiencias de conversión teóricas mayores, y segundo porque el Si es una tecnología en la que no se espera que se puedan obtener grandes avances en los próximos años, teniendo en cuenta el grado de madurez al que ha llegado ya. Esto implica que en las tecnologías de Si no se espera obtener en el futuro una reducción de costes importante, mientras que en las tecnologías de capa fina aún existe un amplio rango de posibles mejoras para poder abaratar aún más los costes ya de por sí relativamente bajos que presentan. Otro aspecto importante es la compatibilidad de las tecnologías de capa fina, y en concreto las tecnologías CIGS, con el desarrollo de celdas en substratos ligeros y flexibles (como láminas de acero o polímeros), lo que confiere un interés especialmente relevante a estas tecnologías como las más adecuadas para la integración o la adaptación de módulos fotovoltaicos en edificios (BIPV o BAPV). Por último, es importante tener en cuenta también que para poder satisfacer las demandas previsibles del mercado a nivel global es preciso incluir todas las tecnologías en la oferta ya que no será posible que con una sola tecnología se pueda satisfacer toda la demanda que se prevé en el futuro. 5. La nueva tecnología tendrá viabilidad industrial? En cuánto tiempo? La nueva tecnología ya ha sido implementada a nivel pre-industrial, y actualmente está en fase de industrialización para la producción de módulos de 60 cm x 120 cm. Es ya una realidad tecnológica, pero durante su desarrollo el sector industrial se ha encontrado con el problema de no disponer de metodologías de monitorización y control de calidad fiables de sus procesos y es precisamente esto lo que busca el proyecto INDUCIS. Los resultados de NEXCIS en cuanto al desarrollo de la tecnología de electrodepósito son una realidad, pero para el salto definitivo a nivel industrial la compañía necesita estabilizar la calidad de su producción a los estándares exigidos para los módulos fotovoltaicos entre otros motivos para abaratar costes y ganar en prestaciones, y por lo tanto valerse de técnicas que le permitan tener un control estricto en cada una de las etapas de sus procesos industriales. Según lo ha hecho público NEXCIS, se espera que los primeros módulos comerciales basados en esta tecnología lleguen al mercado en 2014 y sean altamente competitivos ya que combinarán una eficiencia de conversión alta con un bajo coste de producción.

4 6. El proyecto INDUCIS se realizará en estrecha colaboración con la empresa francesa NEXCIS. Qué ofrece esta empresa? NEXCIS es una spin-off consolidada en la producción de módulos fotovoltaicos de bajo coste basados en CIGS, que posee una plantilla altamente competitiva y especializada en este campo. Como contrapartida de la experiencia que aportará IREC en el desarrollo de técnicas ópticas de control de calidad y su implementación en los procesos industriales, NEXCIS aportará su know-how único en Europa en el desarrollo de procesos de electrodepósito, y en el escalado en general de todos los procesos involucrados en la tecnología fotovoltaica del CIGS a nivel industrial. Este conocimiento servirá al equipo de IREC para optimizar sus procesos actuales, consolidando las actividades que se están desarrollando en estas tecnologías. Además, NEXCIS aportará a IREC también su experiencia en transferencia de tecnología desde la fase de desarrollo a nivel de laboratorio hasta su implementación industrial. IREC es un centro de investigación que aúna investigadores de primera línea y alto prestigio, en los temas más importantes de energías renovables que indudablemente tienen y tendrán un gran impacto en la sociedad. Por ello IREC está llamado a ser no solamente un centro de referencia a nivel de Cataluña y de España en energías renovables, sino un centro enfocado en la investigación y transferencia de tecnología, para que todos los conocimientos desarrollados en nuestra Institución tengan una repercusión tanto en la economía como en la generación de beneficios para nuestra sociedad. 7. Existe en la actualidad una verdadera implicación entre el mundo científico y el industrial? Cómo debería de conseguirse esa implicación? Actualmente uno de los puntos débiles de nuestro sistema de I+D es la fuerte disociación entre universidades/ centros de investigación y empresas. No existe ningún tipo de dudas de la calidad y cantidad de conocimiento que se genera en nuestro país en todas las áreas del conocimiento, pero a la hora de transferir este conocimiento a la industria para que tenga un verdadero impacto social, la cadena comienza a fallar. Nuestra actividad de investigación y desarrollo es altamente costosa para la sociedad, por lo que es fundamental centrarnos en que todos los medios que se ponen a nuestro alcance repercutan positivamente en el futuro de nuestro entorno. El objetivo prioritario de IREC es precisamente realizar una investigación útil para la sociedad en un área de importancia tan clave para un país como es la energía. La implicación de las empresas privadas en nuestro patronato es muy alta, y nuestros grupos de investigación, sin abandonar la esencia de la investigación científica básica que le permita avanzar en la generación de conocimientos y el desarrollo de nuevas ideas, deben responder a las necesidades reales de la sociedad para su desarrollo sostenible generando beneficios sociales. Por eso IREC es una apuesta clave para conjugar la investigación avanzada, con el desarrollo y la transferencia tecnológica. Para conseguir una implicación íntima entre el mundo científico e industrial debe de haber una apertura y cambio de mentalidad por ambas partes, como el que existe en los países más desarrollados, donde las empresas juegan un papel clave en la investigación y en la realimentación entre ambos: Primero, los científicos debemos ser capaces de reconocer y fomentar aquellas líneas de investigación que puedan tener un mayor impacto social y económico, poniendo todos nuestros medios y conocimientos en acercar nuestra ciencia a la sociedad y sus

5 necesidades. Debemos darnos cuenta que no podemos vivir disociados de la realidad del mundo, y ser capaces de transmitir y transferir nuestros conocimientos y descubrimientos a las empresas e industrias que puedan estar interesadas o ser capaces de emprender aquellas acciones que conduzcan a la generación de la empresa adecuada. Todo esto por supuesto no implica abandonar nuestras investigaciones fundamentales, que son la base para el desarrollo de la ciencia y la tecnología, sino conseguir un equilibrio razonable entre lo fundamental y lo aplicado. Por otra parte, las empresas deben comprender que el desarrollo tecnológico tiene un alto coste en cuanto a inversión y tiempo, pero que es una apuesta de futuro que normalmente resulta altamente rentable y fiable. El que los científicos desarrollemos una tecnología conlleva años de investigación e inversiones que no reportan a la empresa beneficios iniciales. No obstante, una vez la tecnología está madura e industrializable, los tiempos de amortización de la inversión suelen ser muy cortos y la posibilidad de negocio muy alta. Aunque es difícil acometer esta fase de industrialización por estar indefinida entre las tareas de los centros de investigación y las acciones que las empresas deben llevar a cabo, los empresarios deben comenzar por apostar por este tipo de iniciativas que si bien al principio parecen menos atractivas, a largo plazo suelen ser las más fiables y rentables, y las que generan mayores ventajas para la sociedad pues no solo significan grandes avances científicos y tecnológicos, sino que son una fuente de productos innovadores con alto valor añadido y de generación de empleos de alta calidad y estabilidad. 8. Cómo valora la situación que está viviendo la energía solar fotovoltaica en nuestro país? Después del boom en el desarrollo de grandes instalaciones fotovoltaicas del 2008, el mercado fotovoltaico sufrió una caída importante. En parte esta caída era natural, porque la generación de electricidad con energía solar no era rentable, financieramente hablando, sin subvenciones. Hoy, tres años después la electricidad generada a partir de la energía solar se ha abaratado considerablemente, se espera que la paridad de red con las fuentes de generación tradicionales se alcance en pocos años, es más, las últimas proyecciones indican que esta paridad ya se ha empezado a alcanzar en el sur de España. Esta situación y estos retos para la industria fotovoltaica han llevado a las actividades del sector fotovoltaico a focalizarse en los objetivos de decrecer el coste del KWh fotovoltaico. Nuestro país tiene un enorme potencial para implementar la energía fotovoltaica y si bien hoy en día es uno de los países más avanzados en el tema, debe potenciarse aún más este desarrollo para no perder nuestra posición de liderazgo. Sin embargo, España tiene una desventaja frente a las grandes potencias europeas, pues la característica más sobresaliente del desarrollo que ha tenido en nuestro país la energía solar, es que ha estado y está supeditada a la importación de tecnología extranjera, sobre todo a la importación de los módulos fotovoltaicos. España no puede conformarse con ser simplemente instaladora de tecnología, debemos ir varios pasos más adelante y pasar a ser actores en el desarrollo y producción de módulos fotovoltaicos, que es donde se encuentra la base de un gran negocio de futuro. Aún estamos a tiempo, y los próximos 5-10 años, que prevén un crecimiento explosivo de la demanda en energía solar, España puede terminar de posicionarse como uno de los polos tecnológicos a nivel mundial en el área. 9. En qué nuevos proyectos está trabajando el equipo de investigación de Materiales y Sistemas para la Energía Solar de IREC? Nuestro grupo está trabajando actualmente en varios proyectos nacionales y europeos. Así mismo está coordinando la negociación de un nuevo gran proyecto europeo. Tenemos un buen equilibrio entre proyectos con financiación pública y contratos con empresas, así como también entre investigación fundamental y aplicada. Entre los proyectos de financiación pública estamos trabajando arduamente en el desarrollo de un nuevo material conocido como kesterita y posible sustituto en un futuro del CIGS: Cu2ZnSn(Se,S)4. De hecho nuestro grupo organizará la segunda reunión europea en kesteritas a finales de noviembre de este año, donde participarán las universidades y centros de investigación más importantes de Europa que están trabajando en el tema, junto con empresas del sector fotovoltaicos interesadas en realizar inversiones de futuro en el desarrollo de este material que esta llamado a paliar la posible escasez de materias primas en la industria fotovoltaica lo que constituye una de las principales limitaciones potenciales de las tecnologías CIGS. Nuestro grupo ha sido seleccionado para organizar este evento ya que somos uno de los polos europeos de investigación en el tema. También trabajamos en dos proyectos CENIT de desarrollo con empresas (proyectos ATON y LIQUION), los cuales precisamente buscan desarrollar tecnologías propias para España para la producción de módulos fotovoltaicos de alta eficiencia

6 y bajo coste por distintas metodologías. En cuanto a los proyectos europeos, aparte de INDUCIS, tenemos un proyecto de intercambio de investigadores con países del Este de Europa en el que participan además de nosotros la Universidad Autónoma de Madrid y la Free University de Berlín, que está enfocado en el desarrollo de las ya nombradas kesteritas. Estas actividades permiten acoger en nuestro grupo a investigadores,-ramón y Cajal, Juan de la Cierva, -técnicos y becarios así como a profesores y estudiantes de doctorado extranjeros para realizar estancias en nuestro laboratorio. Por último estamos en una fase avanzada de negociación de un gran proyecto europeo que combina las instituciones más relevantes en Europa en investigación en fotovoltaicos y varias empresas muy importantes del sector, cuyo objetivo es llevar a nivel industrial en tres años y medio varias tecnologías de bajo coste de interés clave en el área y que significará una gran oportunidad para nuestro Grupo de posicionarse en un puesto de avanzada en la transferencia tecnológica del tema dentro de Europa. En este proyecto se incluyen aproximaciones muy novedosas basadas en la aplicación de nanoestructuras avanzadas, nanohilos, y el desarrollo de procesos compatibles con estas nanoestructuras para nuevas arquitecturas de dispositivos que permitan obtener un aumento muy significativo de eficiencia. Se trata de aproximaciones que si bien están aún lejos del mercado abren inmensas y revolucionarias perspectivas en el sector de la energía solar para desarrollar en el futuro sistemas alternativos de muy bajo coste y muy alta eficiencia que constituyen un paradigma en el área del fotovoltaico.

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