Física de Celdas Fotovoltaicas Cap. III: Celdas Solaresperusolar.org/wp-content/uploads/2012/12/III_Jsolis1.pdf · La primera celda solar fue construida con el Se con una muy delgada

José L. Solis

Universidad Nacional de Ingeniería

Instituto Peruano de Energía Nuclear

Física de Celdas Fotovoltaicas

Cap. III: Celdas Solares

Unión p-n

Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis

Unión p-n


Unión p-n


Unión p-n

Directa

Inversa


Curva característica I-V de un diodo de Si



Efecto Fotovoltaico

Descuvierto en 1839 por el físico

francés Alexadre-Edmond Becquerel.

Observa que se generaban pequeñas

cantidades de corriente cuando se

iluminaba uno de los electrodos (AgCl-

Pt) de una solución electrolítica

conductora, y apreció un aumento de la

generación eléctrica con la luz.

Celdas Solares - Historia

En 1883 Charles Fritts construye la primera celda solar con una

eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construida con el Se

con una muy delgada capa de Au.

Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a

la generación de electricidad como sensores de luz en la

exposición de cámaras fotográficas.

La celda de Si proviene de la patente del inventor norteamericano

Russell Ohl (US Patent 2402662, "Light sensitive device"), y fue

construida en 1940 y patentada en 1946.

La época moderna de la celda de Si llega en 1954 en los

Laboratios Bells. Accidentalmente experimentando con

semiconductores se encontró que el Si con algunas impurezas

era muy sensible a la luz.



Daryl Chapin, Calvin Fuller y Gerald

Pearson, de los Laboratorios Bell

Telephone, desarrollan la primera

célula de silicio, la cual da origen a la

primera estructura fotovoltaica que

lograba convertir luz en electricidad

con una eficiencia razonable (6%).


La primera utilización práctica de la

generación de energía con celdas

fotovoltaicas fue en los dos primeros

satélites geoestacionarios de URSS y

USA.

La URSS lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y los

EEUU un año después el 1 de Febrero de 1958. En el diseño

de este se usaron células solares desarroladas por la

compañía Hoffman Electronics (8 %).




En 1967, se desarrolla la primera célula solar de película

delgada (thin film) de sulfuro de cadmio (CdS). Se descubren

nuevos materiales fotovoltaicos como el arseniuro de galio

(GaAs), arseniuro de indio (InAs) y teluro de cadmio (CdTe).

Se establecen las estrategias de implementación tipo tándem,

y células multiunión.

Entre 1974-1977, se fundan las primeras compañías

dedicadas a energía solar. Las aplicaciones terrestres superan

a las aplicaciones espaciales. La producción de paneles

fotovoltaicos en el mundo supera los 500 kW.


Curva de Experiencia en Fotovoltaicos


Costo de la Electricidad Solar


Irradiancia Solar Mundial


Situación de Energías Renovables en el Perú


Eficiencia de Conversión vs Tiempo



Costo vs Eficiencia de las tres generaciones

I: Wafers

II: Películas delgadas

III: Películas delgadas

avanzadas

Esquema Básico de una Celda Solar de Si cristalino


Esquema Básico de una Celda Solar de Si cristalino

Menos de 0.3 mm de espesor.

Hay pérdida defotones por reflexiónóptica (1, 2, y 3).

El tiempo de vida media de los portadores es el tiempo promedio entrela generacion del par e-h y su recombinacion (Si es 1 μs). La longitudde difusion es la distancia promedio que el portador se mueve desdeel la generación hasta la recombinación (Si es 0.2 mm).


Celdas Solares Pérdidas


Celdas Solares Pérdidas


1) fotones con energías menores que la banda prohibida del

semiconductor; 2) pérdidas por termalización de la red; 3) y

4) pérdidas a través de la unión y los contactos; 5) pérdidas

por recombinación

Recubrimiento Antireflectante (ARC)‏


Proceso de Fabricación de Si (mc)‏


Celdas Solares - Texturización


Celdas Solares - Contacto


Celdas Solares – Curva I V


Celdas Solares – Si Policristalino


Celdas Solares – Si Policristalino


14-17 % eficiencia

Celdas Solares – Si (a)‏


Celdas Solares – Si(a)


Celdas Solares – Si(a)


Celdas Solares – Si


Fraunhofer ISE utilizando sinterizado de Al con laser

para fabricar celda solares de alta eficiencia (21.7%)

con contactos pasivantes en la parte posterior.

Celdas Solares PERL de Si


25% de eficiencia

Celdas Solares SUNPOWER de Si


Celdas producidas ~ 22.4% de eficiencia; nuevos

prototipos con 23.4%.

Celdas Solares Sanyo de Si


Celdas Solares – CIGS


10 – 12 % de eficiencia

Celdas Solares – CdTe


11-15 % de eficiencia

Celdas Solares – GaAs


Celdas Solares de Colorante


11 % de eficiencia

Celdas Solares Tipo Tandem






Celdas Solares Cuánticas


Estas celdas poseen capas nanométricas donde los

efectos de confinamiento cuántico extienden la

absorción de fotones a longitudes de onda más cortas.

En la región intrínseca se depositan películas

nanométricas de un material con un ancho de banda

prohibida menor que la del material de la celda y cuyo

espesor varía entre 1 nm y 10 nm.





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