Principios de la Conversión fotovoltaica 1

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 www.cie.unam.mx

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

El nublado pasado de la energía solar... 1839 E. Bequerel descubre el efecto FV 1870 Estudios del efecto FV en sólidos. Dispositivo FV de Se con eficiencias del 1% - 2 % 1954 Bell Lab. presenta su primera celda solar de Si cristalino con 6% de eficiencia 1958 Primer satélite espacial con tecnología FV 1970 Aumenta el interés en la tecnología FV, crisis mundial petrolera Evolución de precios en módulos FV basados en silicio (USD $ /watt) 1958 1975 1980 1990 Actual 2015 1500 200 20 7-10 3-6 2??? Eficiencias de conversión en módulos FV comerciales: 6-18% Eficiencias de conversión en celdas solares en laboratorios: 30-32 % (AsGa)

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

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.

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

Evidencia física del efecto FV LUZ SOLAR: FOTONES CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA: Irradiancia: 1,000 W/m2 Temperatura de celda: 25°C Masa de Aire: 1.5 Energía del Fotón E = h E = 1.24/ : Longitud de onda (m) E: eV (electron volt) CELDA SOLAR Voltaje fotogenerado Corriente eléctrica fotogenerada

CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA: Temperatura de celda: 25°C La Generación Fotovoltaica CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA: Irradiancia: 1,000 W/m2 Temperatura de celda: 25°C Masa de Aire: 1.5

Como trabaja una celda solar? Condiciones estándares de Prueba Irradiancia: 1.0 kW/m2 Temperatura de celda: 25ºC Masa de aire: 1.5 ~ 0.00 Sin Luz Luz solar ~ 0.60 Voltímetro ( - ) ( + ) Acumulación de carga negativa N P Electrones y huecos Ei Zona del campo Acumulación de carga positiva Celda Solar

Procesos Físicos en una Celda Solar 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.

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

Características eléctricas de la celda solar V I P N + Ri ID=I0 (e qV/kT –1) Características eléctricas de la celda solar Curva característica de una celda solar en la obscuridad Union P-N

Características eléctricas de la celda solar V + I D Ri VL L S IL IS = ID-IL Características eléctricas de la celda solar Curva característica de una celda solar bajo iluminación

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 0.600 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 IM y VM 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, PM, y la potencia de la radiación luminosa, PI (irradiancia por área de la celda). Factor de forma: define la cuadratura de la curva I-V. PM/(Vca x Icc)

Parámetros Eléctricos en una celda solar Procedimiento para medir Voltaje a Circuito abierto, Vca, y la Corriente de Corto circuito Icc Area 100 cm 2 0.59 3.2 VOLTÍMETRO (Alta impedancia) (-) ( + ) AMPERÍMETRO (Impedancia=0) I = 0 amp Vca = 0.59 volts Icc = 3.2 ampers V= 0 volts

Acoplamiento de una “Carga” a una celda solar. POTENCIA LUMINOSA ( Pi ) AMPERÍMETRO (Impedancia=0) VOLTÍMETRO Vop = 0.54 volts 2.5 0.45 (-) RL Area 100 cm2 (+) I Iop = 2.5 A Carga Icc PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA Pm = Im Vm I1 Im Rectángulo de Area Máxima I2 Vca V v1 Vm v2

Parámetros eléctricos de una celda solar. FF= IMVM/ICCVCA N P VCA Corriente a corto circuito ICC Voltaje a circuito abierto VCA Potencia máxima generada PM 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 PI es la potencia solar que incide en el área efectiva de la celda (irradiancia por área de la celda)

Eficiencia en celdas solares Eficiencia = PS/PI PI = G Ae Celda con =15 % Ps= Generación de 150 Watts G = 1,000 Watt/m2 Superficie de 1m x 1 m Ae= 1.0 m2

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

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.

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

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.

Valores típicos a 1kW/m2 y 25°C Efecto del área de la celda CARACTERISTICAS Valores típicos a 1kW/m2 y 25°C DIMENSIONES [mm] ¼ Celda ½ 1.5 3 6 (g) Peso 0.65 1.3 2.6 (A) Im Corriente a Pot. máx. 0.47 (V) Vm Voltaje a Pot. máx. 0.3 0.60 1.35 (W) Pm (± 10%) 0.72 1.45 2.9 Isc Corriente de corto cto 0.6 Voc cto. abierto 1 Celda 101 x 101 ½ Celda 101 x 50.5 ¼ Celda 50.5 x 50. 5

¿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 GaAS CdTe CuInSe2 AMORFO

Consideraciones Tecnológicas para Fabricación de Celdas Solares 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 / CuxS 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

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

Materiales de fabricación Silicio monocristalino Silicio policristalino Silicio 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.

Celdas Solares de Silicio

SILICIO AMORFO: Película Delgada

Anatomía de una celda solar de silicio monocristalino SUPERFICIE TEXTURIZADA Contacto metálico p ~ 200 m n + 0.5 Rejilla 3mm 150 300 Terminal ( - ) Recubrimiento antireflector 0.1 m (a) (b)

SILICIO Tecnología Fotovoltaica Comercial MONOCRISTAL POLICRISTAL VCA 0.74 V JCC  41.6 mA/cm2 PM  24.67 mW/cm2 SILICIO VCA  0.61 V JCC  36.4 mA/cm2 PM  17.25 mW/cm2 VCA  0.8-2.3 V JCC  7.7-19.4 mA/cm2 PM  13.64 mW/cm2 POLICRISTAL AMORFO

TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA COMERCIAL TELURIO DE CADMIO First Solar VCA  0.84 V JCC  26.7 mA/cm2 PM  17.3 mW/cm2 VCA 0.84 V JCC  26.7 mA/cm2 SELENIURO DE COBRE-INDIO Siemens Solar Industries VCA  0.669 V JCC  35.7 mA/cm2 PM  18.39 mW/cm2

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

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

Eficiencia de Celdas de Silicio Cristalino CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO; IRRADIANCIA AM1.5 TÉCNICA DE ELABORACIÓN TIPO DECELDA ORGANIZACIÓN ÁREA (cm 2 ) h (%) Zona Flotante MX PERL Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA 4 24.2 (ZF mx) BPCC Stanford 37.5 22.7 Simple BCC 10 21.2 BCSC 12 21.3 Czochralski MX 47 18.3 (CZ mx) n + pp Telefunken, Siemens 113 18.0 Sharp 100 17.3 comercial Varios 13.0 Silicio Moldeado PX PESC 17.1 (CS px) 10.5 16.2 15.8 Telefunken 142 13.5 Varios (Solarex, Kyocera,...) 12.0

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