Tecnologías Fotovoltaicas establecidas

Transcripción

1 Tecnologías Fotovoltaicas establecidas Temas: El contexto energético y medioambiental en el mundo El recurso solar y mercado fotovoltaico Instituciones particapantes: Celdas solares de CdTe ESFM-IPN Intercovamex Prototipos de módulos fotovoltaicos de CdTe Ind. Tonaly CIE-UNAM Gerardo Contreras, Miguel Tufiño, Jean Marc, Aníbal Avila, Jesús López y Xavier Mathew Apoyos: CONACyT-INNOVAPYME proyecto , ICyT-DF

2 Tecnologías Fotovoltaicas establecidas Petróleo Carbón Gas Natural Nuclear Hidroeléctrica y biomasa Energías Renovables Casi el 90% de la energía se genera a partir de combustibles fósiles Fuentes de energía a nivel mundial 38% 28% 1% 20% 4% 9% Petróleo Fuentes de energía en el país Gas Natural Hidroeléctrica 2% 6% 28% 4% 2% Carbón Nuclear Energías Renovables 58%

3 Tecnologías Fotovoltaicas establecidas World Carbon Dioxide Emissions from the Consumption of Fossil Fuels, (Million Metric Tons Equivalent) Año World Total 5,880 5,886 5,909 5,962 6,074 6,213 6,275 6,294 6,322 6,643 7,129 7,889 Consecuencias de la alteración climática mundial: Deshielo de glaciares e incremento del nivel del mar Aumento de intensidad y frecuencia de sequías y huracanes Repercusiones biológicas, agrícolas, económicas y sociales Ecosystems impacted 2002 No Sustainability of ecosystems 2032

4 Tecnologías Fotovoltaicas establecidas Las nuevas tecnologías y las energías renovables jugarán un papel importante La energía fotovoltaica convierte la radiación solar en energía eléctrica de forma directa Ventajas de los sistemas fotovoltaicos en nuestro país: México tiene una gran cantidad de insolación. Se genera sólo la que se requiere. Se instala fácilmente y cada vez cuesta menos. El mantenimiento es mínimo. Su tiempo de vida (>20 años) es relativamente largo.

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9 Tecnologías Fotovoltaicas establecidas El teluro de cadmio (CdTe) semiconductor formado por elementos que pertenecen a los grupos: cadmio (Cd) II-B y telurio (Te) VI-A. Alta estabilidad térmica y química. Tipo-p (exceso de Te ó vacancias de Cd). Pequeña desviación estequiométrica (vacancia de Cd) a altas temperaturas. Portadores de carga N c =10 17, N v =10 18, N i =10 9 y concentración de aceptores (cm -3 ) Tensión de vapor del Cd y Te mayor que el compuesto. El compuesto es estable a T>500 C Al evaporarse el CdTe libera Cd y Te de igual manera y se depositan por igual en el substrato. Energía de enlace iónico de 5.75 ev; la energía de los fotones incidentes < la energía para descomponer el compuesto. E g 1.43 ev. Constante de red: a = Å. n r =2.70; densidad de 6.5 g/cm 3. (0)=10.2 y χ=4.28 ev. Movilidad (cm 2 /Vs): n =500, p =60. 0 >10 5 cm -1, 90% de los fotones absorbidos entre 3 y 7 micras de espesor del CdTe. τ=1.6 x 10-8 s. Altamente resistivo >10 5 Ω cm y difícil de dopar. Función de trabajo alrededor de 5.7 ev.

10 ( h ) 2 (cm -1 ev) T ( C) Tecnologías Fotovoltaicas establecidas 700 Propiedades de la película de CdTe por CSVT-IR: De naturaleza policristalina Vidrio-SnO 2 :F/CdS Fuente Substrato Velocidad de crecimiento (1.3 m/min) Tamaño de grano del orden de 2 m t (min) 1.4x x10 9 CdTe 1.0x = 1.268x x x x x10 8 E g =1.45 ev h (ev)

11 Técnicas de depósito del CdTe Velocidad de depósito m/min Laboratorio Eficiencia (%) Área grande MOCVD Electro-deposición Rocío químico CSVT * 5* MBE Evaporación Serigrafía PVD * En nuestros laboratorios ESFM-IPN CSVT es la técnica más apropiada para el depósito del CdTe.

12 Spectral Response (%) J (ma/cm 2 ) T (%) Celda record de CdS/CdTe en Latinoamérica de 2.5x2.5 cm con área de contacto de 0.1 cm CdS grown by CSVT CdS grown by CBD (nm) 0 System Thickness d (nm) Grain size (nm) T av (%) BGE (ev) CSVT CBD Solar Cells with CdS by CBD, =12.3 % Solar Cells with CdS by CSVT, =11.2 % R. Mendoza, et al. Thin Solid Films, , (2005) V (mv) 100 System R s (W-cm 2 ) R p (W-cm 2 ) V oc (volts) J sc (ma/cm 2 ) FF (%) Eff (%) CBD The best CSVT solar Cells The best CDB solar cells CSVT Wavelength (nm)

13 I (ma) J (ma/cm 2 ) 2.- Photovoltaic modules prototypes processing of CdS/CdTe, by CSVT 40 cm 2 Deposit CdS by CBD ph = 10, t d =30 min and T=75 C (± 2 C). Reactants concentration based on the best results solar cells of 1 cm 2. CdTe by conventional CSVT. Vacuum pressure of 10-6 Torr and t d =8 minutes. Ar + O 2 ( )% with 0.1 Torr pressure. ΔT = 100 C I vs. V Dark Reproducibility Photovoltaic module 40 cm 2 a b c g h i V (volts) 0.0 V (volts) J vs. V (AM1.5) Reproducibility Photovoltaic module CSPB1Cilu a b c g h i R. Mendoza, et al. Proc. 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (2009 IEEE),

14 First problem, the broken glass Old CSVT system To be resolved this problem we needed change the CSVT

15 Tecnologías Fotovoltaicas establecidas PHOTOVOLTAIC MODULES OF CdS/CdTe IN AREAS OF 100 CM 2 AS GROWN BY THE CLOSED SPACE VAPOR TRANSPORT SYSTEM* Substrate soda-lime glass/sno 2 /CdS/CdTe TT-CdCl 2 /Cu-Au. The PV-modules were subdivided in 16 solar cells (SC`s). The 16 SC`s were separated by laser scribing pattern. The final serial interconnection of 2 columns of 8 SC`s connected in parallel with soldered copper and tin narrow ribbons.

16 Advantage Better morphology Stability More efficiency process But.

17 Morphology in photovoltaic module of 10x10 cm by CSVT-IR Adjust the growth parameterers

18 T ( C) T ( C) Good morfology Material Pression in growth chamber (mtorr) Atmospher (Ar ) T F ( C) t d (min) CdTe 100 ( )% CdS 100 ( )% CdTe Glass-SnO 2 :F/CdS Source Substrate t (min) t (min) CdS Glass-SnO 2 :F/ Substrate Source

19 Thickness Material RC (nm/min) d Rug (nm) CdS nm 64 CdTe μm 324 CdS ~ 700 nm CdTe ~ 12 µm

20 T (%) Photovoltaic module 10x10 T = 75 % 20 0 Optical transmittance ~ 75 % (nm) Back contacts: Cu and Au of 2 and 100 nm of thickness, respectively.

21 Laser scribing for photovoltaic module of 100 cm 2 Laser scribing system Laser of Nd-Yag a 355 nm. Wide pulse of 5 6 ns. Repetition rate of 30 Hz. Energy density of 2 J/cm 2 Speed motor (mm/s) Scribing on differents materials (time [seg] wide [mm]) SnO 2 CdS CdTe Cu-Au

22 Photovoltaic module of 100 cm 2 with laser scribing finally and back contact interconnection on acrylic base.

23 J (ma/cm 2 ) Values average of V max, J max, FF and η for the 8 independent solar cells of photovoltaic module prototype by CSVT-IR. It s back contact area is 4.0 cm 2 at P in = 80 mw/cm 2. Cell V max (volts) J maxc (ma/cm 2 ) P out (mw/cm 2 ) Eff (%) Photovoltaic a half module 100 cm 2 8 solar cells interconnected in parallel CSP2A V (volts) Curves of J vs. V for the photovoltaic module prototype of 100 cm by CSVT-IR at illumination of 80 mw/cm 2.

24 Comparation Comparation electrical parameters vs. area (cm2) Area V oc J sc Eff (cm 2 ) (volts) (ma/cm 2 ) (%) Voc Jsc Eff Area (cm2)

25 En este trabajo se presentaron algunas características de celdas solares de CdTe depósitadas por CSVT. Obtención de los primeros prototipos de módulos fotovoltaicos de CdS/CdTe de 100 cm 2 processed by CSVT-IR en nuestro país. Es necesario cambiar los contactos posteriores Cu-Au por Mo, CuTe. Optimizar los parámetros de depósito en áreas grandes. Optimizar proceso con las mesas de trabajo para escritura, interconexión y sellado de los módulos fotovoltaicos de CdS/CdTe.