Tesis:
Manufacturing and field performance of photovoltaic modules based on unconventional silicon substrates
- Autor: GUERRERO ARIAS, Ismael
- Título: Manufacturing and field performance of photovoltaic modules based on unconventional silicon substrates
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA, INGENIERIA ELECTRICA Y FISICA APLICADA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88105/
- Director/a 1º: CAÑIZO NADAL, Carlos del
- Resumen: The main challenge solar photovoltaics has been facing during the last decades has been its cost therefore photovoltaics science development has been mainly focused on that. All aspects impacting the levelized cost of electricity (LCOE) have been deeply analyzed and different fields of study have been created in the scientific community to do that, the modules manufacturing being the main one. On the journey to reduce the cost of solar modules several materials and manufacturing methods have been explored in all the segments of the value chain being Crystaline Silicon the clear winner that represents today the vast majority of the modules manufactured.
In this work we focus on the manufacturing of the substrate of the crystalline silicon modules analyzing different materials and crystal growing technologies with the objective to compare not only their manufacturing process and results but also the performance in the field.
The main cost of a crystalline silicon module is the materials, and polysilicon is by far the most expensive one and has been the biggest headache of the industry for decades with several manufacturing processes being widely used and studied. The predominant technology comes from the microelectronics industry, the Siemens process, and although other technologies are accepted by the industry like the fluidized bed reactor (FBR), its complexity made it less used. One alternative specifically for solar photovoltaics comes from accepting that the level of purity of the silicon material required for solar cells is not that of manufacturing microchips and therefore a purification of metallurgical grade silicon to a lower level might be good enough. This way the so called Upgraded Metallurgical Grade (UMG) silicon appears into scene, where instead of using a complex chemical process to purify the material a much simpler one based on matellurgical methods could obtain a good enough material for the production of solar cells. This last technology for being simple and specifically designed for solar photovoltaics is the one explored in this work, where we study both the quality and yield of the manufactured wafers and we also deploy modules manufactured with this material on the field and analyze their performance versus modules manufactured with polysilicon of the traditional Siemens process. This study contains data of the first year of the modules on the field.
After the materials of the modules, the cell manufacturing and the efficiency obtained are the main cost components, being the efficiency the most relevant parameter of indirect impact over cost for affecting the whole installation including the balance of systems, the interconnection cost, land usage and every single component of the solar plant. A module that has less efficiency than another implies that for the same power more modules need to be deployed, therefore more land is required, more racking or trackers, more cable, etc. A technology, no matter how cheap it is, incapable of providing high enough levels of efficiency will just not be capable to compete. This take us to the next aspect of the silicon material that we analyze in this work, the growing method that will define the characteristics of the wafers that will be used to manufacture the future solar cells with a very important impact on the efficiency of the future module.
There are two main technologies that evolved over the last decades until today, mono crystalline silicon and multi crystalline silicon. For many years multi crystalline was slightly more predominant than mono crystalline but this turned and today almost all market is mono crystalline based. Manufacturing multi crystalline wafers is simpler and therefore cheaper with significantly lower energy consumption during the manufacturing process but mono crystalline based cells offer higher efficiencies. When the efficiency gap between both technologies has widen enough, the interest for multi crystalline silicon disappeared. There is one technology of growing wafers that was explored on the way, that consisted of using the manufacturing process of multi crystalline wafers but to produce mono crystalline wafers instead and obtained promising results although it has been almost abandoned by the industry as the multi crystalline route has been fading away. The technology was so early on its development that no consensus has been reached when assigning it a name yet, this way you can find scientific work naming it pseudo mono wafers, quasi mono wafers, mono casting wafers, mono crystalline cast wafers, mono like wafers, etc.
We challenge in this work the fact that this technology has suffered the same destiny as multi crystalline silicon wafers too early and that should still be considered as a manufacturing alternative for the solar industry to produce mono crystalline wafers since it is cheaper to produce, and the efficiency gap could not justify the extra cost of the traditional mono crystalline route. In this document we will refer to this technology as cast-mono (CM) wafers and we will analyze different aspects of the manufacturing process including the manufacturing yield and we will study also the field performance of modules based on this substrate. For doing that we manufactured modules based on cast-mono wafers that we put in the field for three years and compared its performance with multi crystalline and mono crystalline modules. We also simulated the three systems and analyzed how valid the results obtained with software commonly used in the industry for yield and production prediction are for this type of modules.
We found out that modules based on upgraded metallurgical silicon have a very similar performance than those modules manufactured using polysilicon. Although those modules are both multi crystalline. There is research about mono crystalline ingots manufactured from upgraded metallurgical silicon, but we have not found any data of mono crystalline modules made out of upgraded metallurgical silicon probably because the level of impurities is too high making it unviable. Anyway, it has been published that at cell level the performance of upgraded metallurgical silicon cells is very similar of that of poly silicon ones when the technology used is the cast-mono, reporting small differences in efficiency with the latest cell technology.
On the other hand, cast-mono technology has been reported to have achieved efficiencies equivalent to the top efficiencies seeing today and therefore could perfectly be a technology able to compete. We show in this work the origin of the defects that generate low quality wafers when the manufacturing process of this technology is not under control and how to control it. We analyze the mechanical strength of the wafers produced and compare it with multi crystalline and mono crystalline wafers, showing that the mechanical properties of cast-mono wafers are very similar as that of mono wafers for wafers of low dislocations density. If the dislocation density is higher the mechanical strength has a higher risk of being compromised. Therefore, we conclude that in order to obtain good quality cast-mono wafers, both from the chemical and mechanical point of view, low dislocations densities are required and that is possible using the right manufacturing parameters. Finally, we manufactured modules with the three wafers technologies and we deployed them in the field proving that cast-mono modules obtained similar or better results than the other technologies. As a conclusion, we can say that this technology is still valid and deserves to be taken into consideration even in today’s environment of high efficiencies.
RESUMEN
El principal reto al que la tecnología solar fotovoltaica se ha enfrentado durante las últimas décadas ha sido su alto coste y gran parte del desarrollo científico ha estado enfocado a este asunto. Cualquier aspecto que impacte en el coste energético nivelado de una instalación (LCOE por sus siglas en inglés) se ha analizado en profundidad por la comunidad científica creando distintos campos de investigación, siendo la fabricación de módulos el más relevante. En el camino para reducir el coste de fabricación de los módulos solares se han explorado distintos materiales y distintos métodos de fabricación en todos los segmentos de la cadena de valor, siendo el Silicio cristalino el material que se erige como claro ganador y en el que se basan la gran mayoría de los módulos fabricados en la actualidad.
En este trabajo nos centramos en la fabricación del substrato de los módulos de Silicio cristalino analizando distintos materiales y tecnologías de crecimiento del cristal con el objetivo de comparar no solo el proceso de fabricación sino también el comportamiento en campo de los módulos fabricados con diferentes materiales y distintas tecnologías de crecimiento del cristal que conforma el substrato.
El principal coste de un módulo cristalino son los materiales, y el polisilicio es con diferencia el más caro y ha sido el mayor quebradero de cabeza de la industria durante décadas; distintos procesos de fabricación han sido ampliamente empleados y estudiados. La tecnología predominante procede de la industria microelectrónica, el proceso Siemens, y a pesar de que hay otras tecnologías aceptadas por la industria como el reactor de lecho fluidizado (FBR por sus siglas en inglés), su complejidad ha hecho que se utilice menos. Una alternativa específica para la industria solar fotovoltaica surge al aceptar que los niveles de pureza del material de silicio requeridos para la fabricación de células solares no son los mismos que para la fabricación de micro chips y, por tanto, la purificación del silicio metalúrgico en un nivel inferior podría ser suficientemente bueno. De esta forma el silicio metalúrgico mejorado o de grado solar aparece en escena, donde en lugar de usar un complejo proceso químico para purificar el material, uno mucho más sencillo basado en métodos metalúrgicos podría obtener un material suficientemente bueno para la fabricación de células solares. Esta última tecnología por ser sencilla y específicamente diseñada para la industria solar fotovoltaica es la que se explora en esta tesis donde estudiamos tanto la calidad como el rendimiento de las obleas fabricadas a partir de este material. También ponemos módulos fabricados con este material en campo y analizamos su rendimiento comparado con módulos fabricados con polisilicio del proceso Siemens tradicional después de un año en campo.
Después de los materiales que componen los módulos, la fabricación de células y la eficiencia obtenida son los principales componentes del coste, siendo la eficiencia el parámetro con impacto indirecto sobre el coste más relevante, afectando a toda la instalación incluyendo el balance de sistemas, los costes de interconexión, el empleo de terreno y todos y cada uno de los componentes de una planta solar. Un módulo que tenga menos eficiencia que otro implica que para conseguir la misma potencia de planta necesitamos más módulos en campo, por lo tanto, necesitaremos más terreno, más estructuras o seguidores, más cableado, etc. Una tecnología, no importa como de barata sea, incapaz de proporcionar niveles de eficiencia suficientemente elevados simplemente no será capaz de competir. Esto nos lleva al siguiente aspecto del material de silicio que analizaremos en este trabajo, el método de crecimiento que definirá las características de las obleas que serán usadas para fabricar las futuras células solares.
Hay dos tecnologías principales que evolucionan a lo largo de las últimas décadas hasta hoy, el silicio mono cristalino y el silicio mono cristalino y el silicio multi cristalino. Durante muchos años el multi cristalino fue ligeramente predominante sobre el mono cristalino, pero esto se ha dado la vuelta y hoy casi todo el mercado está basado en el silicio mono cristalino. Fabricar obleas multi cristalinas es más sencillo y por lo tanto más barato, con un consumo energético significativamente menor durante el proceso de fabricación, pero las células basadas en mono cristalino ofrecen mayores eficiencias. Cuando la diferencia en la eficiencia entre ambas tecnologías se ha hecho suficientemente grande el interés por el silicio multi cristalino ha desaparecido. Hay una tecnología de crecimiento de obleas que fue explorada por el camino, que consistía en usar el proceso de fabricación de obleas multi cristalinas, pero para producir obleas mono cristalinas en su lugar y obtuvo resultados prometedores aunque ha sido abandonada por la industria cuando el proceso multi cristalino ha sido abandonado. La tecnología estaba en un momento tan temprano en su desarrollo que no se alcanzó consenso para asignarle un nombre aún, de esta forma podemos encontrar trabajos científicos que la llaman obleas pseudo mono, obleas mono cast, obleas mono cristalinas cast, obleas mono like, etc.
En este trabajo retamos el hecho de que esta tecnología haya sufrido el mismo destino que las obleas multi cristalinas demasiado pronto y defendemos que debería aún considerarse como una alternativa de fabricación de obleas mono cristalinas para la industria solar. En este documento nos referiremos a esta tecnología como obleas cast-mono (CM) y analizaremos diferentes aspectos de su proceso de fabricación incluyendo el rendimiento de fabricación, estudiando también el comportamiento en campo de módulos fabricados con este substrato. Para ello fabricamos módulos basados en obleas cast-mono que ponemos en campo durante tres años y comparamos su comportamiento con módulos multi cristalinos y mono cristalinos. También simulamos los tres sistemas y analizamos como de fiable es para este tipo de módulos el software de simulación más empleado industrialmente para predecir la eficiencia y producción de un sistema fotovoltaico.
Encontramos que los módulos basados en silicio metalúrgico de grado solar tienen un rendimiento muy similar a aquellos fabricados usando polisilicio, aunque ambos módulos son multi cristalinos. Hay investigaciones sobre lingotes mono cristalinos fabricados a partir de silicio metalúrgico grado solar pero no hemos encontrados datos sobre módulos mono cristalinos fabricados a partir de silicio metalúrgico grado solar, probablemente porque el nivel de impurezas es demasiado elevado y lo hace inviable. Se ha publicado que a nivel de célula el rendimiento de células de silicio metalúrgico grado solar es muy similar a las de polisilicio cuando la tecnología empleada para la fabricación de las obleas es la del cast-mono, reportándose pequeñas diferencias de eficiencia con la última tecnología de célula. Por lo tanto, parece que esta tecnología merece mayor exploración como hemos demostrado para módulos multi cristalinos.
Por otro lado, hay publicaciones reportando que la tecnología cast-mono ha alcanzado eficiencias equivalentes a las máximas eficiencias alcanzadas hoy y por lo tanto podría ser una tecnología perfectamente capaz de competir en el entorno de alta eficiencia de la actualidad. En este trabajo mostramos el origen de los defectos que generan obleas de baja calidad cuando el proceso de fabricación con esta tecnología no es debidamente controlado y como evitarlo. Analizamos la resistencia mecánica de las obleas producidas y la comparamos con las de obleas multi cristalinas y mono cristalinas, encontrando que las propiedades mecánicas de las obleas cast-mono son muy similares a las de las obleas mono cristalinas para obleas con bajas densidades de dislocaciones, si la densidad de dislocaciones es mayor la resistencia mecánica tiene mayor riesgo de verse comprometida. Por lo tanto, concluimos que para obtener obleas cast-mono de buena calidad, tanto desde el punto de vista químico como mecánico, se requieren obleas con densidades de dislocación bajas, lo cual se puede lograr usando los parámetros de fabricación adecuados. Finalmente, fabricamos módulos con las tres tecnologías de obleas que se instalan en campo, y los resultados que obtenemos demuestran que esta tecnología es aún válida y que merece que se tenga en cuenta incluso en el entorno de altas eficiencias que tenemos hoy en día.