Nuevas soluciones fotovoltaicas basadas en la nanotecnología

Transcripción

1 Nuevas soluciones fotovoltaicas basadas en la nanotecnología

2 INDICE - La energía solar del presente - células FV de 1ª generación: silicio cristalino -células FV de 2ª generación: capas finas -La energía solar de mañana -células FV de 3ª generación: colorantes, orgánicas, nanocristales, fotoluminiscentes, etc. - La fotovoltaica en Fundación ITMA -células FV de 2ª generación - concentradores solares fotoluminiscentes

3 Efecto fotovoltaico generación de un excitón disociación extracción de las cargas

4 Células Fotovoltaicas Base silicio Otros compuestos capas finas Nuevos conceptos c-si mono a-si unión simple tandem a-si/µc-si CdTe CIS / CIGS colorante orgánicas Concentradores Nanocristalinas poli multi unión 1G 2G 3G µm 1,5 4 µm escala nm

5 LA ENERGÍA SOLAR DEL PRESENTE

6 La primera generación: Silicio cristalino y policristalino Escala micrométrica Purificación: % Pérdida de material /W Procesos largos y costosos

7 La segunda generación: Células inorgánicas de Capa Fina Escala micrométrica con nanocapas - Basada en depósitos de capas finas de semiconductores -Empleo de técnicas en fase vapor asistidas por plasma con bajas temperaturas de proceso: sputter-pvd y PECVD - Baja cantidad de materia prima - Utilización de sustratos baratos pudiendo ser flexibles Proceso roll-to-roll Integración arquitectónica PECVD

8 La segunda generación: Silicio η= 9-13 % (Lab.) / 5-10 % (Ind.) 350 nm Band gap variable (1,1 a 1,75 ev) dependiendo de la aleación + Bajo coste de fabricación (< 1 /W) -Degradación inicial (pérdida de 10 a 15% de eficiencia)

9 La segunda generación: Otros compuestos semi-conductores η= 20 % (Lab.) / 14 % (Ind.) Band gap variable (1,02 a 1,68 ev) + Mayor coeficiente de absorción en TF -Elevado coste del Ga e In - Toxicidad CdS (juega papel capa n )

10 La segunda generación: Células de Capa Fina η= 16,5 % (Lab.) / 11 % (Ind.) glass Band gap 1,45 ev + Bajo coste de retorno (0,8 años) CdS/CdTe - Toxicidad CdS

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12 LA ENERGÍA SOLAR DEL FUTURO: las células fotoelectroquímicas de Graetzel, las polimerícas de Heeger, las de concentradores fotoluminiscente de Baldo, el Silicon Valley y Nanosolar, nanohilos, nanopartículas, etc.

13 1/2 La tercera generación: Sistema Fotoelectroquímico Células Gratzel: colorantes sensibles (DSSC) Michaël Gratzel & Brian O Regan (1991)

14 Células solares de colorantes sensibles (DSSC) 2/2 η= 10 % + Células de bajo coste + Coste retorno de 1 año (<0,8 /W) + Color y flexibilidad + No contaminantes - Inestabilidad del electrolito -vida útil < 5 años -Precio catalizador de Pt y Ru

15 1/2 La tercera generación: Células orgánicas Alan Heeger, Premio Nobel de Química 2000

16 2/2 Células orgánicas ~200 nm Ca/Al PEDOT η< 5 % -Excitación polímero fotosensible (P3HT) y generación de un excitón -Transfer del excitón a la interfase polímero / fulereno C60 -Proceso de separación; el e-va al contacto trasero y el hueco al contacto frontal + Deposición en 1 etapa + Flexible + Bajo coste industrial - Inestabilidad -Vida útil < 1 año

17 La tercera generación: Células nanocristalinas η= 2,1 % -Parte activa con nanocristales o quantum dot de PbSe o CdTe -Principio de la múltiple generación de excitón (MEG) más corriente y más eficiencia

18 Otras vías de hacer células solares fotovoltaicas

19 Concentradores solares fotoluminiscentes η= 7%

20 Nanoparticulas CIGS η= 16 %

21 Y QUE HACEMOS EN FUNDACION ITMA DE TODO ESTO?

22 Fundación ITMA y los materiales fotovoltaicos - Células de capa fina basadas en silicio - Concentradores fotoluminiscentes

23 ITMA y los materiales fotovoltaicos Un laboratorio para el desarrollo de células solares de capa fina Laboratorio de capas finas PV Dar innovaciones a corto plazo a las empresas PECVD evaporador PVD láser laminador

24 ITMA y los materiales fotovoltaicos Sustratos para el crecimiento de células de capa fina - Desarrollo de capas multifuncionales para la fabricación de células de capa fina sobre acero, materiales cerámicos, polímeros, etc. - Dieléctricas - Recubrimiento nivelante - Antidifusivas

25 ITMA y los materiales fotovoltaicos Óxidos conductores transparentes ZnO:Al Sputtering - PVD Resistividad < Ω.cm Transmitancia > 90% ITO

26 ITMA y los materiales fotovoltaicos Silicio amorfo Desarrollo y optimización de estructuras p-i-n y n-i-p en silicio amorfo mediante VHF-PECVD Nuevos conceptos basados en uniones tándem a-si/a-si y a-si/µc-si

27 ITMA y los materiales fotovoltaicos Proceso de corte por láser Sustrato metálico Sustrato metálico Sustrato metálico Sustrato metálico Sustrato metálico Sustrato metálico Esquema de realización de un módulo fotovoltaico a partir de las células fabricadas en Fundación ITMA

28 ITMA y los materiales fotovoltaicos Materiales poliméricos Desarrollo de materiales poliméricos basados en EVA de alta transmitancia UV y baja degradación Procesado y simulación mediante extrusión Laminación de células fotovoltaicas

29 ITMA y los materiales fotovoltaicos Caracterización de materiales fotovoltaicos Microscopía confocal Espectrofotometría UV-VIS-NIR: E g Simulador Solar: curvas I-V Perfilometría mecánica GDOES: Composición química en profundidad

30 Células solares de capa fina basadas en silicio

31 ITMA y los materiales fotovoltaicos Algunos resultados: Célula p-i-n sobre vidrio a-si a-si / a-si J sc =13.8mA/cm 2 V oc =0.786V FF=0.67 η=7.0% J sc =7.1mA/cm 2 V oc =1.560V FF=0.68 η=7.2%

32 ITMA y los materiales fotovoltaicos Algunos resultados: Célula n-i-p sobre vidrio J sc =12.4mA/cm 2 V oc =0.820V FF=0.55 η=8.1%

33 CETICA Nuevos y avanzados materiales y sistemas constructivos basados en acero Aplicación directa de células de capa fina basadas en silicio sobre acero Interconexionado mediante proceso láser ATON Nuevas tecnologías de generación de energía basadas en células fotovoltaicas de lámina delgada Nuevas células de capa fina basadas en silicio Nuevos encapsulantes poliméricos

34 Concentradores solares fotoluminiscentes

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36 Laboratorio de Capas Finas, Fundación ITMA Gracias por su atención