1. Ciencia

01/03/2013
Cómo hacer la Fotovoltaica más competitiva: últimas
tendencias en investigación
Dra. Ana R. Lagunas,
Directora del Departamento de Energía Solar Fotovoltaica
Horizontes y prospectiva de la tecnología fotovoltaica
GENERA, 26 de Febrero, 2013
índice
Introducción
1. Conceptos para I+D+i en Fotovoltaica
2. Fotovoltaica avanzada
3. Propuestas de I + D financiadas
4. Conclusiones
1
01/03/2013
1. Introducción
2
01/03/2013
1. CENER
Sede
Sarriguren
Laboratorio de ensayo de
aerogeneradores
Sangüesa
•6
6 departamentos técnicos, más de 200 profesionales
• Eólica
• Fotovoltaica
• Solar Térmica
• Biomasa
• Integración de renovables en red
• Energía edificatoria
Centro de
Biocombustibles de 2ª
generación
Aoiz
Parque experimental eólico
1. CENER – FOTOVOLTAICA
21 miembros técnicos, doctores, ingenieros, científicos
• Sistemas Fotovoltaicos:
• Instalaciones Fotovoltaicas
• Pruebas de inversores fotovoltaicos (incl. PO12.3)
• Laboratorio acreditado para prueba de módulos fotovoltaicos
• IEC-61215, IEC-61646, IEC-61730 e IEC-62108
• Testing Laboratory (TL) dentro del esquema CBTL de
IECEE
• Reconocido por UL como CBTL para normas IEC y con
revisión presencial de ensayos distintos para normas UL
• Células Fotovoltaicas:
• Investigación
I
ti
ió en tecnología
t
l í de
d células
él l Si cristalino
i t li a partir
ti de
d
oblea (15cm x 15cm)
• Investigación en dispositivos orgánicas
• Caracterización de materiales y células FV de todas las
tecnologías
Servicios, I+D y consultoría
3
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
1. Introducción
¿ Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva ?
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
1. Introducción
Competitividad significa ser una alternativa clara
 Producir electricidad donde no pueden hacerlo otras fuentes habituales
Otros puntos de competición/diferenciación:
• Rendimiento, Fiabilidad, Gestionabilidad, Independencia
• Costes ambientales
I + D es necesaria para mejorar todo ello
• Riesgos de producir contaminación
• Ruido
• Espacio requerido
… Donde si hay otras fuentes, el Coste del kWh producido es el factor clave
4
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
1. Introducción
Reducción del coste del kWh producido
Aumentando la eficiencia de conversión FV
Aumentando la fiabilidad de los productos
Investigación básica
Mejorando aspectos industriales
Encontrando aplicaciones innovadoras
y nuevos productos
Aspectos Tecnológicos
2. Conceptos para I+D en Fotovoltaica
5
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
2. Conceptos para I + D en Fotovoltaica
• Investigación básica: desarrollo de conocimiento, nuevos materiales, nuevos
conceptos…
Conceptos Materiales  Células  Módulos 
• Investigación aplicada: identificación de usos alternativos de la Fotovoltaica y
desarrollo de nuevos productos
Módulos + estructuras + seguidores+inversores  Aplicaciones
Plantas Fotovoltaicas, BIPV, Productos de consumo
Balance Coste/Aplicabilidad
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
2. Conceptos para I + D en Fotovoltaica
El aumento genérico de eficiencia viene derivado de una mayor absorción fotovoltaica del
espectro solar
1
El “gap” del semiconductor determina la absorción de ciertas longitudes de onda
de la luz.
6
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
2. Conceptos para I + D en Fotovoltaica
Aumento genérico de eficiencia derivado de una mayor absorción del espectro
solar (todas las tecnologías).
2
3
4
5
Células Tandem
 Doble o triple unión en Silicio en lámina delgada
 Doble o triple unión en materiales III-V (43% eficiencia)
Banda Intermedia: bandas creadas en el medio del “gap” del
semiconductor
Estructuras artificiales como puntos cuánticos o mezcla de compuestos
en orgánicas
Materiales para “up-conversión” y “down-conversión”
Reducción de pérdidas por otros aspectos
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
2. Conceptos para I + D en Fotovoltaica
Tecnología de Silicio cristalino a partir de oblea
1. Aumento de la eficiencia esperable en la tecnología de célula fotovoltaica de Silicio a
partir de oblea
• Hetero-uniones
• Contactos posteriores
• Emisores selectivos
• Estructuras para atrapar la radiación
• Interconexión de células mediante Al (>20% eficiencia) en módulo
2. Reducción de coste de la tecnología
• Reduciendo el espesor de la oblea
• Obteniendo silicio multicristalino en lugar de monocristalino
• Desarrollando obleas “Quasimono”
• Usando Silicio metalúrgico mejorado para aplicaciones fotovoltaicas
• Reemplazar Ag por Cu (20,9%)
7
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
2. Conceptos para I + D en Fotovoltaica
Tecnología de lámina delgada
1. Reducción de coste
• Utilización de la cantidad de material que es necesaria para el efecto
fotovoltaico
• Depósito sobre sustratos (vidrio, plástico, metal…) imaginativos
• Técnicas de depósito más baratas y versátiles que las actuales
• Materiales absorbente muy baratos : órganicos, “dye sensitized”…
2
Aumento de eficiencia y otros aspectos para I+D en lámina delgada
• Desarrollo de nuevos materiales conductores transparentes más
baratos, más transparentes y más conductores
• Uso de estructuras tandem: doble o triple unión
• Añadiendo puntos cuánticos u otras estructuras para seleccionar
longitudes de onda
•…
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
2. Conceptos para I + D en Fotovoltaica
Células de materiales de compuestos III-V
1. Aumento de eficiencia
• basado en optimización de multiuniones y nuevos materiales
2. Reducción de costes
• Aplicando una óptica de concentración para captar mayor cantidad de radiación 
Fotovoltaica de concentración CFV
• Reciente entrada en el mercado en volumen
• Necesita radiación directa
• Necesita seguimiento a 2 ejes con determinada precisión
• Hay
H una casuística
í i variada
i d de
d productos.
d
8
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
2. Conceptos para I + D en Fotovoltaica
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
2. Conceptos para I + D en Fotovoltaica
Pruebas para fiabilidad (durabilidad)
Los módulos fotovoltaicos deben superar las pruebas establecidas para
comprobar su funcionamiento, fiabilidad y seguridad (al menos)
•
•
•
•
IEC-61215 para módulos de Silicio cristalino a partir de oblea
IEC-61646 para módulos de tecnologías de lámina delgada
IEC-62108 para fotovoltaica de concentración CFV
IEC-61730 para Seguridad
O bien el esquema equivalente de UL
No solo los módulos, también el resto de componentes
Es imprescindible la I + D para desarrollo de las pruebas de
fiabilidad y cualificación
9
01/03/2013
3. Fotovoltaica avanzada
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
3. Fotovoltaica avanzada
Fotovoltaica de Alta Concentración (CFV) :
- Eficiencia de célula en laboratorio : ~ 43,5%(*)
- Producción masiva: 39.2%
- Eficiencia de módulo: ~ 25 – 31%
- Eficiencia del sistema: ~ 23 – 27%
Fotovoltaica orgánica
- 11% record (Mitsubishi 2012)
- 10,7%
10 7% Heliatek (organic tandem)
-10,6% UCLA-Sumitomo (tandem polímeros)
(*) Solar Junction –NREL tested 44%
10
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
3. Fotovoltaica avanzada
Silicio a partir de oblea:
• Contactos posteriores (Sunpower):
- Laboratorio : 24.2%
- Producción : 22.4%
• Células de Silicio con Heterounión (Sanyo)
- Nuevo HIT record: 23.7% en oblea de 98μm de espesor
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
3. Fotovoltaica avanzada
Tecnologías de lámina delgada:
•CIGS:
CIGS
-Módulo (0.7m2) 15,9% (ZSW/Manz)
- Minimódulo (30cm x 30cm) 17,8% (Solar Frontier)
•CdTe (First Solar, July 2011)
- célula 17.3 %
- módulo 13.5%
• Silicio triple unión: a-Si/micro-Si/micro-Si
- 13,4% estabilizado para célula de 1cm2 (LG)
•Dye cells: Eficiencias máximas por encima del 11% (Sharp)
11
01/03/2013
4. Revisión de proyectos de I+ D financiados
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
4. Revisión de proyectos de I + D financiados
Resumen de proyectos activos en el 7º PM para desarrollo de tecnología de módulos
fotovoltaicos ((Junio 2012).
)
ENERGY & NMP calls
• 38% de los proyectos están relacionados con Silicio nanocristalino y puntos cuánticos
para mejora de rendimiento de tecnología de lámina delgada
• 30% de los proyectos fueron para fotovoltaica de concentración CFV (alta y baja
concentración )
• 15% para procesos dde obtención
b
ió y procesado
d dde obleas
bl
dde Sili
Silicio
i más
á delgadas.
d l d
• El resto para desarrollo de tecnologías de tipo calcogenuros (CIGS), lámina delgada
para aplicaciones de integración arquitectónica y otros
12
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
4. Revisión de proyectos de I + D financiados
Resumen de temas principales de proyectos concedidos por el Ministerio de Ciencia e
Innovacion
• Fotovoltaica de concentración, tecnología y componentes
• Elementos para integración arquitectónica
• Reducción del coste de módulos fotovoltaicos
5. Conclusiones
13
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
5. Conclusiones
•La Fotovoltaica de concentración es el “top”
p de la eficiencia,, p
pero todavía hay
y margen
g de
mejora.
•Requiere componentes fiables y robustos
•Nuevas ópticas para “relajar” la precisión de seguimiento
•Las tecnologías orgánicas, versátiles y baratas obtienen otra parte importante del
presupuesto de desarrollo.
•Con eficiencias suficientes y costes reducidos, la durabilidad esperable no aparece como un
problema.
•Parte importante del presupuesto de I+D del 7º PM hasta Junio 2012 está dedicado a
proyectos para mejora de la eficiencia en tecnologías de lámina delgada.
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
5. Conclusiones-Nuevos productos
Las plantas multimegawatio, habituales en nuestro país no son la única alternativa
para obtención de electricidad por medios fotovoltaicos:
• Hay gran cantidad de espacio disponible y bien insolado en los edificios
• Nuevos productos para BIPV
• La versatilidad de las nuevas tecnologías que están a punto de llegar es una baza
importante a la hora de sus aplicaciones formando parte de productos habituales
de consumo
•En DC y modo aislado o conectados a red
•Gestión de pequeños inversores o inversores integrados
• La generación y/o recuperación de pequeñas cantidades de energía es
importante para la eficiencia energética
• Generación aislada
• Conectada a red
• En forma de “nano-redes” en casa
• Baterías formando parte del sistema conectado a red
14
01/03/2013
Cómo hacer la fotovoltaica más competitiva: últimas tendencias en I+D+i
5. Conclusiones-Nuevos productos
Otros básicos para la competitividad
• Imparable evolución hacia el autoconsumo
• Imprescindible la reducción del coste del BOS
• Nuevos conceptos para almacenamiento de energía
• Baterías formando parte del sistema conectado a red
• Gestión óptima de redes, micro-redes y nano-redes
Cada tecnología FV tiene su área óptima de aplicación:
1. El compromiso entre componentes óptimos considerando los aspectos
meteorológicos, ubicación, posibilidades de O&M es la clave para
competitividad en
aplicaciones para grandes plantas
1.
La imaginación para encontrar nuevas aplicaciones de la fotovoltaica puede
ser la base de una interesante historia de innovadores productos de
consumo.
15
01/03/2013
www.cener.com
16