Centro de Investigación en Energía Coordinación: Materiales Solares Celdas solares

Principio de funcionamiento Son dos los procesos con los cuales el ser humano puede aprovechar la energía proveniente del sol. Uno de ellos se realiza por medio de procesos fototérmicos (calentamiento de fluidos); y el otro es por medio del efecto fotovoltaico, proceso a través del cual la energía solar se convierte en electricidad sin usar ningún proceso intermedio. Los dispositivos donde se lleva a cabo esta transformación se llaman generadores fotovoltaicos y la unidad mínima donde se realiza dicho efecto se les llama celdas solares. Podemos definir el "efecto fotovoltaico" como la generación de una fuerza electromotriz como resultado de una radiación ionizante en un material. Dicho efecto puede ocurrir en gases líquidos y sólidos, pero es en los sólidos, especialmente en los semiconductores que se observan eficiencias aceptables de conversión de energía solar a energía eléctrica. (1)

Para que ocurra el efecto fotovoltaico se requiere lo siguiente (fig 1): La absorción de luz en un material semiconductor. Generación y separación de un exceso de portadores de carga (electrones y/o huecos). Estos portadores de carga deben estar separados por la acción de un campo eléctrico interno. El tiempo de vida media de los portadores debe ser lo suficientemente grande para poder ser colectados por los contactos eléctricos y participar de está forma en el voltaje de salida. Fig. 1 Absorción de luz en un material semiconductor

La estructura básica de una celda solar de unión p-n se muestra en la fig. 2 su funcionamiento radica en que al recibir la radiación luminosa en forma de fotones, parte de ella será absorbida por algunos electrones de valencia en ambos semiconductores, creándose un electrón fotogenerado y por consecuencia dejando un hueco fotogenerado. Estos portadores de carga fotogenerado viajan dentro de la estructura hacia la unión, bajo un gradiente de concentración. En dicha unión radica el campo eléctrico externo que actúa sobre estos y los separa, mandando a los electrones generados al lado n y a los huecos al lado p. La concentración de electrones fotogenerados en el lado n y de los huecos en el lado p, son los responsables que aparezca un fotovoltaje, el cual impulsará hacia el exterior a dichos portadores de carga, produciéndose una corriente IL, si se coloca una resistencia de carga en los extremos de la celda solar. (2)  

Fig. 2 Sección transversal de una celda solar tipo p-n. (2)

Celda solar en oscuridad y en circuito abierto Generación nula Recombinación nula Ningún portador en exceso Vosc=0 Celda solar en iluminación y en circuito abierto Generación Recombinación interna Portadores con “mucho exceso” Voc>0

Celda solar iluminada y en carga Generación Recombinación interna Recombinación externa Portadores con “menos” exceso V<Voc

Parámetros característicos de una celda solar Característica I-V ideal.   Los principales parámetros característicos de una estructura fotovoltaica son: el voltaje del circuito abierto, VOC; la corriente a corto circuito, ISC; la corriente de saturación, I0; el voltaje máximo que origina la potencia máxima, VM; la corriente máxima que origina la potencia máxima, IM; la potencia máxima PM y FF, es el factor de llenado, el cual representa la cuadratura de la curva I-V (Fig.4) en términos de ISC y VOC. Dichos parámetros se determinan a partir de la ecuación (3) y de la medición de respuesta corriente-voltaje. Una medición corriente-voltaje, es aquella en la que se aplican una o más diferencias de potencial (o voltajes) y se mide la corriente I que pasa por el material o dispositivo. Si se hace una medición I-V aplicando varios potenciales y midiendo sus respectivas corrientes, tendremos una serie de puntos en el plano I-V, que al unirlos formaran una curva, a la cual llamaremos la “característica I-V” del material. La expresión ideal para la corriente que atraviesa la unión de una celda solar en la oscuridad está dada por: (3)

La expresión ideal para la corriente que atraviesa la unión de una celda solar en la oscuridad está dada por: (3) Donde RS, es la resistencia en serie de la celda; RP, es la resistencia en paralelo; K, es la constante de Boltzman; T, es la temperatura en grados Kelvin; I0, es la corriente inversa de saturación; A, es la constante de idealidad del diodo; e, es la carga eléctrica del electrón y V es al potencial aplicado. Para una celda solar ideal, I0 y A no son funciones de la iluminación, en tanto que la resistencia paralela de la unión se considera infinita. Bajo condiciones de iluminación, la ecuación (1) se escribe como:

Donde IL, es la magnitud de la corriente fotogenerada. La curva I-V dependerá de varios factores, tales como iluminación, temperatura, tensión, etc. (fig. 3.) Fig. 3 Característica I- V del material semiconductor

Cuando se tiene una celda solar real, la resistencia en serie y paralelo pueden afectar el transporte eléctrico en la unión de manera que la consideración de RP =  ya no puede ser valida (fig. 4). La resistencia en serie involucra la resistencia volumétrica de los materiales que integran la unión, así como también la resistencia de los contactos. La resistencia en paralelo se relaciona con las corrientes de derivación que se manifiesta por efecto túnel en la interfaz de la unión, así como corrientes de fuga a través de la unión debido a imperfección en el plano de la unión. (21) Fig. 4 Circuito eléctrico equivalente para una celda solar.

La figura 5, muestra que las graficas de las ecuaciones (1) y (2) para una celda solar ideal, permitiendo establecer las siguientes expresiones utilizadas para describir la eficiencia fotovoltaica.   Fig. 5 Factor de llenado

PINC, es la potencia de la intensidad luminosa incidente; VOC, es el voltaje del circuito abierto; ISC, es la corriente a corto circuito; VM, es el voltaje que origina la potencia máxima; IM, es la corriente que origina la potencia máxima (PM) y FF, es el factor de llenado y representa la cuadratura de la curva I-V (fig.6) en términos de ISC y VOC. Fig. 6 Representación esquemática de la variación típica de la corriente como función del voltaje (curva I-V), para una celda solar en la oscuridad y bajo iluminación.(4)  

(2) Notas del curso de actualización en energía solar;1997. (11) En la Fig. 4 se encuentra representado el traslado que sufre la curva I-V en la oscuridad, hacia abajo, una magnitud igual a la corriente fotogenerada IL, sin que se presenten cambios en la forma de la curva. Esta característica indica que ISC = - IL .   REFERENCIAS   (1) Aarón Sánchez Juárez, notas del curso de actualización en energía solar. Temixco, Morelos 1996. (6) (2) Notas del curso de actualización en energía solar;1997. (11) (3) Fahrenbruch, A.; Fundamentals of Solar Cells, Edit Academic Press, Boston U.S.A, 1983. (21)