Unión PN Celdas Solares LEDs Diodo Laser Fotodetectors Transistores

Unión PN Source: Wikipedia

LED: Polarisación Directa

Celda solar El problema con esta disposición es que la unión PN captaría muy poca luz.

Celda solar Si el semiconductor N es muy delgado a través de él se puede incidir mucha mayor luz hacia la unión PN

Celdas de Primera generación Eficiencia límite: 31% Monocristalina: - 16-19% Policristalina - 14-15% efficiency Silicon Cell Average Efficiency

Banda prohibida (band gap) Una banda prohibida pequeña sería deseable porque aprovecharía más longitudes de onda de los fotones del sol pero, en contraparte, entre más amplia la banda prohibida más fuerte es el campo eléctrico generado cuando se forma la unión PN. Una banda ideal en la práctica debería de estar entre 1.0 y 1.7 eV para producir suficientes electrones sin mucho calor. E=1.24/Lambda (micras) E=1.1 ev para el silicio que corresponde a 1.12 micras (infrarojo) Source: Wikipedia

Shockley-Queisser eficiencia límite

Banda prohibida (band gap) Material Symbol Band Gap (eV) Silicon Si 1.11 Cadmium telluride CdTe 1.49 Cadmium selenide CdSe 1.73 Copper oxide CuO 1.20 Gallium arsenide GaAs 1.43 Indium phosphide InP 1.35 Selenium Se 1.74 Source: Wikipedia

Circuito Equivalente

Ecuación característica

Radiación Cuerpo Negro

El espectro del sol The entire spectrum is not available to single junction solar cell This is the Solar Spectrum. The graph shows the flux of photons that come down to the Earth vs. the wavelength of the photons. The Orange line represents the solar spectrum outside the atmosphere. The spectrum reaches a peak in the visible as expected from black body radiation at 5800K (the surface temperature of the sun). The missing regions of flux (black line) at the earth’s surface are due to absorption from water vapor and carbon dioxide. As you can clearly see, the solar energy is not just a single energy (wavelength or frequency of light). If it were, we would have solar cells based on current technology with efficiencies over 95%. So why do we lose energy at different wavelengths? Part of it is because we are not absorbing the whole spectrum of a single photon. If we put in photons with larger energies than the bandgap we only capture the energy equal to Eg – we lose the rest to waste heat. Photons with energies lower than the bandgap do not contribute to carriers (electrons and holes) in a solar cell. Source: http://ess.geology.ufl.edu/ess/Notes/040-Sun/spectrum.GIF

El espectro del sol • Ultravioleta: 0.20 - 0.39 µm • Visible: 0.39 - 0.78 µm • Cercano Infrarojo: 0.78 - 4.00 µm • Infrarojo: 4.00 - 100.00 µm 99% de la radiación está ubicada entre 0.3 y 2.8 µm El pico está en 0.483 µm La intensidad de la radiación afuera de la atmósfera es de 1370 W/m2 En la superficie de la tierra es de alrededor de 1000 W/m2 Candela, Lumen, Lux. Para luz visible y ponderada a la vista humana.

Celda Solar Ideal Una celda solar ideal aprovecharía todas las longitudes de onda del sol. Esto no es posible en una simple unión PN debido a la naturaleza estrecha de su banda prohibida. Las celdas de múltiples capas (unas sobre otras) aprovechan mejor el espectro solar si las diferentes uniones tienen diferentes bandas pero dentro del espectro solar. E=1.24/Lambda (micras)

Tipos de celdas de Si Monocristalinas: Policristalinas: Amorfas: estructura atómica muy ordenada. rendimiento entre el 15% y el 18%. difícil construcción, alto precio. Policristalinas: estructura atómica no tan ordenada como en el monocristalino. rendimiento entre el 12% y el 15% . Amorfas: estructura atómica bastante desordenada. rendimiento es inferior al 10%. fabricación sencilla, más barato.

Elementos de una celda solar de Si Un contacto superior en la zona del material “tipo N”. Dos semiconductores “tipo N” y “tipo P”. Un contacto inferior en la zona del material “tipo P”.

Características de las celdas solares Características I-V Voltaje de circuito abierto VOC Corriente de cortocircuito ISC Potencia Máxima (rectángulo) Factor de llenado (fill factor) : cociente entre el rectángulo de máxima potencia y el rectángulo inscrito entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de corto circuito. Esta medida nos da una idea de la calidad de la celda

Eficiencia celdas solares Definición :Relación entre la potencia eléctrica generada por unidad de área (W/m2) y la irradiación solar incidente (W/m2) para obtenerla Máximas eficiencias teóricas para las celdas solares para diversos materiales (J.J. Loferski 1963)

Tipos de cristales Silicio monocristalino:estructura cristalina uniforme Silicio policristalino:estructuras ubicadas arbitrariamente. Estos “granos” hacen que la estructura no sea uniforme y se obtenga una eficiencia menor Silicio amorfo:presenta todavía bajos niveles de eficiencias

Tipos de cristales

Obtención del silicio El Silicio se obtiene a partir de elementos como arena o la cuarcita (cuarzo) Se presentan en la naturaleza con altos grados de impurezas, por este motivo es necesario procesarlos Obtenemos un Silicio con propiedades de semiconductor y así lograr celdas de alta eficiencia el Silicio es el segundo elemento más abundante en la superficie terrestre, luego del oxígeno.

Cuarcita Cuarzo: SiO2

Tecnología de fabricación Producción de Silicio Policristalino Proceso Consiste en llevar los granos de cuarcita a temperaturas sumamente elevadas, agregando carbón para eliminar el oxigeno presente en la cuarcita y producir una sustancia gris metálica brillante de una pureza de aproximadamente 99%. Para llegar a purezas de 99,9999%, la sustancia obtenida es depurada mediante un proceso similar al utilizado en las refinerías de petróleo, llamado destilación fraccionada

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Producción de Silicio Monocristalino Proceso Método de crecimiento de Czochralski (CZ) El Silicio Policristalino se funde en un crisol a temperaturas cercanas a 1.410ºC, Se intriduce una “semilla” de Silicio Monocristalino, Se retira lentamente (10cm/hora) haciendo crecer un lingote cilíndrico de material Monocristalino

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Método Flotante (FZ) Se coloca una “semilla” Monocristalina sobre una barra de Silicio Policristalino Luego gracias a una bobina que induce un campo eléctrico, la barra se calienta y se funde con la semilla Al desplazarse completamente por la bobina permite la obtención del lingote de Silicio Monocristalino Este lingote es más puro que el producido con el método CZ

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Producción de obleas Una vez obtenido el cilindro de Silicio Monocristalino, se procede a cortar las obleas o wafers con espesor aproximado de 300um Para realizar esta operación se utiliza una sierra con multifilamentos, la cual al cortar las obleas produce partículas de Silicio Se pierde casi un 20% de material

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Producción de obleas Las obleas son dopadas con átomos de Fósforo en un horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para obtener la capa N El substrato tipo P se logra, antes de obtener los lingotes, dopando el Silicio con átomos de Boro, para luego cortar las obleas que serán utilizadas como material tipo P en las celdas

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Película antirreflectante Consiste en una tratamiento o texturizado que se le da al Silicio para disminuir el índice de reflexión Estructura piramidal, que aumenta la absorción de la luz incidente, gracias a reflexión múltiple de ésta

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Contactos Superior : Debe construirse con unidades lo bastante gruesas, para transportar la corriente eléctrica y lo bastante finas, para no obstaculizar el paso de la luz solar Inferior : material conductor simple (aluminio)

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Celdas de Arseniuro de Galio (GaAs) Eficiencias mayores a las de Silicio. Algunos fabricantes, como Spectrolab, han construido celdas con multijunturas, superponiendo junturas específicas para un determinado espectro de la luz solar y así aprovechar totalmente el espectro

Fabricación de módulos Fragilidad Condiciones atmosféricas Deben ser empaquetadas en un módulo Los módulos se utilizan para cargar baterías Son fabricados para entregar un voltaje nominal de 12V, 24V y 36V Este voltaje se alcanza conectado celdas en serie.

Fabricación de módulos La celda es colocada en un encapsulante (EVA) Parte superior: vidrio templado Parte inferior: substrato a base de resina El modulo se trata a temperaturas de 175ºC y presión uniforme. Se sella y se ajusta a un marco de aluminio ionizado.

Fabricación de módulos. Caracterización N celdas en serie o en paralelo, la potencia total de salida es WP = N · (IP · VP) IP = corriente peak de la celda VP = voltaje peak de la celda Característica Silicio Ip [mA/cm ] 28 VP [V] 0,5 WP [mW/cm ] 14 VOC [V] 0,6

Fabricación de módulos. Factores que afectan al rendimiento Radiación solar : bajos niveles / altos niveles de voltaje de salida Concentrador estático : Encapsulado que aumenta el rendimiento. Temperatura de operación : Un aumento de esta hace que la corriente aumente pero el voltaje disminuya Sombra : Disipa la energía Una celda sombreada afecta al módulo completo. Solución : diodos “bypass”

Fabricación de módulos. Concentradores estáticos Prismático simple SPC (Simple Prism Concentrador) Ganancia = 1,75. Célula solar bifacial vertical Ganancia = 3,5 Poca utilidad práctica Célula solar bifacial horizontal Ganancia = 3,8 Concentrador Estático de Material Transparente Reflexivo Ganancia = 15%

FIN