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Principios de la Conversión fotovoltaica. Objetivo Proporcionar algunos de los fenómenos importantes relacionados con el Efecto Fotovoltaico Dar una visión.

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Presentación del tema: "Principios de la Conversión fotovoltaica. Objetivo Proporcionar algunos de los fenómenos importantes relacionados con el Efecto Fotovoltaico Dar una visión."— Transcripción de la presentación:

1 Principios de la Conversión fotovoltaica

2 Objetivo Proporcionar algunos de los fenómenos importantes relacionados con el Efecto Fotovoltaico Dar una visión del estado del arte actual de la tecnología de celdas solares

3 El efecto fotovoltaico El Efecto fotovoltaico es el fenómeno de generación de electricidad en un dispositivo optoelectrónico debido a la absorción de la luz o radiación solar. Los dispositivos que generan energía a través del efecto fotovoltaico se llaman generadores fotovoltaicos y la unidad mínima donde se lleva a cabo dicho efecto se llama CELDA SOLAR

4 El nublado pasado de la energía solar E. Bequerel descubre el efecto FV 1958 Estudios del efecto FV en sólidos. Dispositivo FV de Se con eficiencias del 1% - 2 % Bell Lab. presenta su primera celda solar de Si cristalino con 6% de eficiencia Primer satélite espacial con tecnología FV Aumenta el interés en la tecnología FV, crisis mundial petrolera Evolución de precios en módulos FV basados en silicio (USD $ /watt) Actual ??? Eficiencias de conversión en módulos FV comerciales: 6-18% Eficiencias de conversión en celdas solares en laboratorios: % (AsGa)

5 Energía Solar El binomio de generación de energía limpia Tecnología FV Electricidad Trabajo

6 Bases del efecto Fotovoltaico Los semiconductores son utilizados en la fabricación de las celdas solares porque la energía que liga a los electrones de valencia al núcleo es similar a la energía que poseen los fotones que constituyen la radiación solar.

7 La celda solar y el efecto FV Radiación solar Celda solar Generación de fotocorriente directa !!!

8 Voltaje fotogenerado Corriente eléctrica fotogenerada CELDA SOLAR Evidencia física del efecto FV LUZ SOLAR: FOTONES Energía del Fotón E = h E = 1.24/ : Longitud de onda ( m) E: eV (electron volt) CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA: Irradiancia: 1,000 W/m 2 Temperatura de celda: 25°C Masa de Aire: 1.5

9 La Generación Fotovoltaica CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA: Irradiancia: 1,000 W/m 2 Temperatura de celda: 25°C Masa de Aire: 1.5

10 Luz solar Voltímetro ( - )( + ) Como trabaja una celda solar? Celda Solar Ei Zona del campo Acumulación de carga negativa Acumulación de carga positiva Electrones y huecos ~ 0.60 ~ 0.00 Sin Luz N P Condiciones estándares de Prueba Irradiancia: 1.0 kW/m 2 Temperatura de celda: 25ºC Masa de aire: 1.5

11 ABSORCIÓN DE LUZ: Es el fenómeno mediante el cuál se generan los portadores de carga: electrones y huecos. SEPARACIÓN DE CARGAS: Para separar a los portadores de carga fotogenerados es necesario la formación de un CAMPO ELÉCTRICO INTERNO, que se logra al unir dos materiales con diferente conductividad eléctrica produciendo una unión rectificadora. Por ejemplo: una unión P/N. COLECCIÓN DE CARGAS: Los portadores fotogenerados deben de tener un tiempo de vida grande para que puedan ser colectados en los contactos eléctricos exteriores. Procesos Físicos en una Celda Solar

12 El comportamiento lineal indica que: I V I =m V m =1/R I V De donde: V= Voltaje (Volts) I = Corriente (Amper) R = Resistencia(ohm) Ley de Ohm V = R I R I + - V Menor valor de R Mayor valor de R Amperímetro Voltímetro Ley de Ohm Características eléctricas de materiales

13 Características eléctricas de la celda solar Curva característica de una celda solar en la obscuridad V I I PN + V I Ri I D =I 0 ( e qV/kT –1) Union P-N

14 Curva característica de una celda solar bajo iluminación V + I D Ri VLVL I L I S V ILIL I I S = I D -I L Características eléctricas de la celda solar

15 Parámetros eléctricos de una celda solar Voltaje a circuito abierto: Es el voltaje máximo que genera la celda solar. Este voltaje se mide cuando no existe un circuito externo conectado a la celda. Bajo condiciones estándares de medición, el valor típico del voltaje a circuito abierto que se ha obtenido en una celda solar de silicio cristalino es del orden de V. Corriente a corto circuito: Es la máxima corriente generada por la celda solar y se mide cuando se conecta un circuito exterior a la celda con resistencia nula. Su valor depende del área superficial y de la radiación luminosa. Normalmente se especifica en unidades de densidad de corriente. Potencia máxima: Su valor queda especificado por una pareja de valores I M y V M cuyo producto es máximo. La eficiencia de conversión de la celda, η, se define como el cociente entre el valor de la máxima potencia generada, P M, y la potencia de la radiación luminosa, P I (irradiancia por área de la celda). Factor de forma: define la cuadratura de la curva I-V. P M /(Vca x Icc)

16 Procedimiento para medir Voltaje a Circuito abierto, Vca, y la Corriente de Corto circuito Icc Area 100 cm VOLTÍMETRO (Alta impedancia) (-) ( + ) ( + ) AMPERÍMETRO (Impedancia=0) I = 0 amp Vca = 0.59 volts Icc = 3.2 ampers V= 0 volts Parámetros Eléctricos en una celda solar

17 Area 100 cm VOLTÍMETRO Vop = 0.54 volts (-) (+) AMPERÍMETRO (Impedancia=0) Iop = 2.5 A Carga I V v1v1 v2v2 Vca Vm I2I2 I1I1 Im Icc Rectángulo de Area Máxima PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA Pm = Im Vm POTENCIA LUMINOSA ( Pi ) Acoplamiento de una Carga a una celda solar. RLRL

18 Parámetros eléctricos de una celda solar. Corriente a corto circuito I CC Voltaje a circuito abierto V CA Potencia máxima generada P M N P V CA FF= I M V M /I CC V CA EFICIENCIA DE CONVERSIÓN ES LA RAZÓN ENTRE LA POTENCIA GENERADA POR LA CELDA CUANDO SOBRE ELLA INCIDE UNA POTENCIA LUMINOSA = P M / P I X 100 Donde P I es la potencia solar que incide en el área efectiva de la celda (irradiancia por área de la celda)

19 Eficiencia en celdas solares Eficiencia en celdas solares Superficie de 1m x 1 m Ae= 1.0 m 2 G = 1,000 Watt/m 2 Ps= Generación de 150 Watts Celda con =15 % Eficiencia = P S /P I P I = G Ae

20 Resistencia de carga en celdas solares La resistencia característica de una celda solar es la resistencia de salida de la celda en su punto de máxima potencia. Si la resistencia de la carga es igual a la resistencia característica de la celda solar, entonces la potencia máxima es transferida a la carga y la celda solar funciona en su punto de máxima potencia

21 Efecto de la resistencia en las celdas solares Efecto de la resistencia en las celdas solares La intrínseca en una celda solar esta compuesta de dos resistencias: resistencias en serie Rs y la resistencia en paralelo Rsh La magnitud ideal para dichas resistencias son: Rs= 0 y Rsh del orden de MΩ. Valores diferentes a estos disminuyen la eficiencia de conversión. El fabricante de la celda solar debe de controlar los valores de dicha resistencias.

22 (b) (a) Efecto de la Irradiancia La corriente de corto circuito es directamente proporcional a la magnitud de la irradiancia

23 Efecto de la Temperatura LOS FACTORES SON: Vca : Reducción del orden de 2.1 mVolt por cada grado centígrado. Icc : Aumento del 0.1% de su valor, a temperatura ambiente, por cada grado centígrado.

24 CARACTERISTICAS Valores típicos a 1kW/m 2 y 25°C DIMENSIONES [mm] 1 Celda 101 x 101 ½ Celda 101 x 50.5 ¼ Celda 50.5 x ¼ Celda ½ Celda 1.536(g)Peso (A)ImCorriente a Pot. máx (V)VmVoltaje a Pot. máx (W)PmPot. máx. (± 10%) (A)IscCorriente de corto cto 0.6 (V)VocVoltaje a cto. abierto Efecto del área de la celda

25 ¿Que Materiales son adecuados para construir celdas solares? ¿EN DONDE SE LLEVA A CABO DICHO EFECTO? EN UNIONES ENTRE MATERIALES SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES. MÁXIMAS EFICIENCIAS EN SÓLIDOS SEMICONDUCTORES, COMO EL SILICIO, ARSENIURO DE GALIO TELURIO DE CADMIO, SELENIURO DECOBRE/INDIO. SEMICONDUCTORES GRUESOS DELGADOS SILICIO MONOCRISTAL, POLICRISTAL SILICIO GaAS CdTe CuInSe 2 AMORFO MONOCRISTAL, POLICRISTAL

26 Existen varios materiales con los que se fabrican las Celdas Solares. Entre ellos, el que destaca es el SILICIO. El Campo Eléctrico Interno, responsable de la separación de los portadores fotogenerados, es el componente más importante de la celda solar. Este se puede lograr mediante diferentes uniones entre materiales. Destacan: HOMOUNIONES: La más popular Silicio tipo-n con silicio tipo-p HETEROUNIONES: Histórica CdS tipo-n / Cu x S tipo-p Celda comercial: CdS/CdTe BARRERA SCHOTTKY: Unión rectificadora metal/semiconductor UNION M/I/S: Unión rectificadora metal/aislante/semiconductor. UNION S/I/S: Unión rectificadora SC tipoN/SC Intrínseco/SC tipo P. Celda típica comercial: SILICIO AMORFO Consideraciones Tecnológicas para Fabricación de Celdas Solares

27 HOMOUNIÓN HETEROUNIÓN Metal-Semiconductor Barrera SCHOTTKY S-I-S N P Estructuras para Celdas Solares Rejilla colectora PP P NN I Capa antireflectora Contacto metálico trasero Capa N Capa P Colector-Convertidor Capa ventana Absorbedor-Generador Capa absorbedora P

28 Materiales de fabricación Silicio monocristalinoSilicio policristalinoSilicio amorfo Silicio Monocristalino: Las celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy alta pureza. La eficiencia de estos módulos ha llegado hasta el 17%. Los módulos con estas celdas son los más maduros del mercado. Silicio Policristalino: Celdas están formadas por varios cristales de silicio. Esta tecnología fue desarrollada buscando disminuir los costos de fabricación. Eficiencias de conversión un poco inferiores a las monocristalinas. Módulos con eficiencias menores de 15% Silicio Amorfo: La tecnología de los módulos de silicio amorfo ha estado cambiando aceleradamente en los últimos años. En la actualidad su eficiencia ha subido hasta establecerse en el rango del 10% y promete incrementarse.

29 Celdas Solares de Silicio

30 SILICIO AMORFO: Película Delgada

31 Anatomía de una celda solar de silicio monocristalino SUPERFICIE TEXTURIZADA

32 SILICIO MONOCRISTAL POLICRISTAL AMORFO V CA 0.74 V J CC 41.6 mA/cm 2 P M mW/cm 2 V CA V J CC mA/cm 2 P M mW/cm 2 V CA 0.61 V J CC 36.4 mA/cm 2 P M mW/cm 2 Tecnología Fotovoltaica Comercial

33 TELURIO DE CADMIO SELENIURO DE COBRE-INDIO V CA 0.84 V J CC 26.7 mA/cm 2 Siemens Solar Industries First Solar V CA V J CC 35.7 mA/cm 2 P M mW/cm 2 V CA 0.84 V J CC 26.7 mA/cm 2 P M 17.3 mW/cm 2 TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA COMERCIAL

34 Tecnología SANYO Heterounión a-Si/x-Si/a-Si Eficiencia record Celdas:23% Modulo: 16.4%

35 Estado Actual de la Tecnología Fotovoltaica Diseño en homouniónEstatus TIPO DE TECNOLOGÍA *Silicio monocristalino (gruesa) *Silicio policristalino (gruesa) *Silicio amorfo (película delgada) Películas delgadas monocristalinas *Arsenuro de Galio (GaAs) Disponible comercialmente Bajo desarrollo Diseño en HeterouniónEstatus TIPO DE TECNOLOGÍA Películas delgadas policristalinas: *Cobre-Indio-Diselenio *Telenuro de Cadmio Disponibles comercialmente Diseño de unión múltipleEstatus TIPO DE TECNOLOGÍA a-SiC/a-Si a-Si/a-Si a-Si/a-SiGe a-Si/poli-Si a-Si/CuInSe 2 GaAs/GaSb Bajo Desarrollo CONFIGURACIÓN DE MÓDULOS Módulos Planos Módulos con concentrador Disponible comercialmente

36 Eficiencia de Celdas de Silicio Cristalino

37 37 Gracias


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