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rogelio.mendoza@uacm.edu.mx
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
Temas:
El contexto energético y medioambiental en el mundo
El recurso solar y mercado fotovoltaico
Celdas solares de CdTe
Prototipos de módulos fotovoltaicos de CdTe
Instituciones particapantes:
ESFM-IPN
Intercovamex
Ind. Tonaly
CIE-UNAM
Gerardo Contreras, Miguel Tufiño, Jean Marc, Aníbal Avila, Jesús López y Xavier Mathew
Apoyos: CONACyT-INNOVAPYME proyecto 111299, ICyT-DF
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
Casi el 90% de la energía se genera a partir de combustibles fósiles
38%
28%
20%
4%
9%1%
Fuentes de energía a nivel mundial
Petróleo
Carbón
Gas Natural
Nuclear
Hidroeléctrica y biomasa
Energías Renovables
58%
6% 28%
2%
4% 2%
Fuentes de energía en el país
Petróleo Carbón
Gas Natural Nuclear
Hidroeléctrica Energías Renovables
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
Año………….1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2009 2010
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
World Carbon Dioxide Emissions from the Consumption of Fossil Fuels, 1990–2010 (Million Metric Tons Equivalent)
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
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
Las nuevas tecnologías y las
energías renovables jugarán un
papel importante
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.
La energía fotovoltaica convierte
la radiación solar en energía
eléctrica de forma directa
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
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 Nc=1017, Nv=1018, Ni=109 y
concentración de aceptores 1015 (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.
• Eg1.43 eV.
• Constante de red: a = 6.481 Å.
• nr=2.70; densidad de 6.5 g/cm3.
• (0)=10.2 y χ=4.28 eV.
• Movilidad (cm2/Vs): n=500, p=60.
• 0>105 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 >105 Ω–cm y difícil de dopar.
• Función de trabajo alrededor de 5.7 eV.
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
0 1 2 3 4 5 6 7 8 90
100
200
300
400
500
600
700
Vidrio-SnO2:F/CdS
Fuente
SubstratoT (
°C)
t (min)
Propiedades de la película de CdTe por CSVT-IR:
• De naturaleza policristalina
• Velocidad de crecimiento (1.3 m/min)
• Tamaño de grano del orden de 2 m
1.0 1.2 1.4 1.60.0
2.0x108
4.0x108
6.0x108
8.0x108
1.0x109
1.2x109
1.4x109
CdTe
0 = 1.268x10
4
Eg=1.45 eV
(h)2
(cm
-1e
V)
h (eV)
CSVT es la técnica más apropiada para el depósito del CdTe.
Técnicas de depósito del CdTe Velocidad de depósito m/min
Eficiencia (%)
Laboratorio Área grande
MOCVD 4.3 11.9 -
Electro-deposición 0.015 14.2 10
Rocío químico - 14 7.7
CSVT 116.5
12.4 *12
5*
MBE 0.016 10.5 -
Evaporación 0.09 11.8 9.1
Serigrafía 0.5 12 8.7
PVD 0.018 10.5 -
* En nuestros laboratorios ESFM-IPN
400 500 600 700 800 900
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CdS grown by CSVT
CdS grown by CBD
T (
%)
(nm)
System Thickness d (nm)
Grain size(nm)
Tav (%) BGE(eV)
CSVT 150 68.5 84.21 2.51
CBD 138 47.2 85.04 2.52
System Rs
(W-cm2)Rp
(W-cm2)Voc
(volts)Jsc
(mA/cm2)FF(%)
Eff(%)
CBD 2.89 757 0.740 23.76 70.45 12.34
CSVT 3.60 750 0.714 24.02 65.31 11.20400 500 600 700 800 900
0
20
40
60
80
100
Spec
tral R
espo
nse
(%)
Wavelength (nm)
The best CSVT solar Cells The best CDB solar cells
0 200 400 600 800
-20
-10
0
Solar Cells with CdS by CBD, =12.3 % Solar Cells with CdS by CSVT, =11.2 %
V (mV)
J (m
A/c
m2)
R. Mendoza, et al. Thin Solid
Films, 480-481, (2005) 173-176
Celda record de CdS/CdTe en Latinoamérica de 2.5x2.5 cm con área de contacto de 0.1 cm2
Deposit CdS by CBD
• pH = 10, td=30 min and T=75 °C (± 2°C).
• Reactants concentration based on the best results solar cells of 1 cm2.
CdTe by “conventional” CSVT.
• Vacuum pressure of 10-6 Torr and td=8 minutes.
• Ar + O2 (50 + 50)% with 0.1 Torr pressure.
• ΔT = 100 °C.
R. Mendoza, et al.
Proc. 34th IEEE
Photovoltaic
Specialists
Conference (2009
IEEE), 2090-2095.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
I (m
A)
V (volts)
I vs. V Dark
Reproducibility
Photovoltaic module
40 cm2
a
b
c
g
h
i
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-20.0
-17.5
-15.0
-12.5
-10.0
-7.5
-5.0
-2.5
0.0
J (
mA
/cm
2)
V (volts)
J vs. V (AM1.5)
Reproducibility
Photovoltaic module
CSPB1Cilu
a
b
c
g
h
i
2.- Photovoltaic modules prototypes processing of CdS/CdTe, by CSVT 40 cm2
To be resolved this problem we needed change the CSVT
First problem, the broken glass Old CSVT system
Tecnologías Fotovoltaicas establecidas
PHOTOVOLTAIC MODULES OF CdS/CdTe IN AREAS OF 100 CM2 AS
GROWN BY THE CLOSED SPACE VAPOR TRANSPORT SYSTEM*
Substrate soda-lime glass/SnO2/CdS/CdTe TT-CdCl2/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.
Advantage
• Better morphology
• Stability
• More efficiency process
But….
Morphology in photovoltaic module of 10x10 cm by CSVT-IR
Adjust thegrowth
parameterers
MaterialPression in growth
chamber (mTorr)
Atmospher
(Ar + 02 )TF (°C) td (min)
CdTe 100 (50 + 50)% 625 3
CdS 100 (100 + 0)% 675 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 90
100
200
300
400
500
600
700
CdTe
Glass-SnO2:F/CdS
Source
SubstrateT (
°C)
t (min)
0 2 4 6 8 10 12
0
100
200
300
400
500
600
700
T (
°C)
t (min)
CdS
Glass-SnO2:F/
Substrate
Source
Good morfology
Thickness
CdS ~ 700 nm
CdTe ~ 12 µm
Material RC (nm/min) d Rug (nm)
CdS 330 650 nm 64
CdTe 4000 11.8 μm 324
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
0
20
40
60
80
100
T (
%)
(nm)
Photovoltaic module 10x10
T = 75 %
Optical transmittance ~ 75 %
Back contacts: Cu and Au of 2 and 100 nm of
thickness, respectively.
Laser scribing for photovoltaicmodule of 100 cm2
Speed
motor
(mm/s)
Scribing on differents materials (time [seg] –
wide [mm])
SnO2 CdS CdTe Cu-Au
5 68 – 1.0 64 – 1.2 68 – 1.5 66 – 1.6
3 120 – 1.0 130 – 1.0 134 – 1.1 132 – 1.2
1 356 – 1.1 374 – 1.2 394 – 1.3 400 – 1.8
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/cm2
Photovoltaic module of 100 cm2 with laser scribing finally and back contact interconnection on acrylic base.
Values average of Vmax, Jmax, FF and η for the 8 independent solar cells of
photovoltaic module prototype by CSVT-IR.
It’s back contact area is 4.0 cm2 at Pin = 80 mW/cm2.
Cell Vmax
(volts)Jmaxc
(mA/cm2)Pout
(mW/cm2)
Eff(%)
1 0.173 1.8 0.32 0.4
2 0.275 1.6 0.44 0.6
3 0.562 1.5 0.84 1.0
4 0.363 2.5 0.91 1.1
5 0.410 2.0 0.82 1.0
6 0.570 1.6 0.85 1.0
7 0.440 1.7 0.75 0.9
8 0.180 1.6 0.29 0.4
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
J (
mA
/cm
2)
V (volts)
Photovoltaic
a half module 100 cm2
8 solar cells interconnected
in parallel
CSP2A
Curves of J vs. V for the photovoltaic module prototype of
100 cm by CSVT-IR at illumination of 80 mW/cm2.
Area
(cm2)Voc
(volts)Jsc
(mA/cm2)Eff
(%)
6.25 0.714 24 11.2
40 0.620 16.2 4.7
100 0.363 2.5 1
0 20 40 60 80 100
0.1
1
10
100
Co
mp
ara
tio
n
Area (cm2)
Voc
Jsc
Eff
Comparation electrical parameters vs. area (cm2)
•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 cm2 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.
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