Principios de la Conversión Principios de la Conversión fotovoltaicafotovoltaica

ObjetivoObjetivo

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

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El efecto fotovoltaicoEl 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...El nublado pasado de la energía solar...

1839 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

1954

1870

1970

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)

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)

Energía Solar

El binomio de generación de El binomio de generación de energía limpia energía limpia

Tecnología FV

ElectricidadElectricidad

TrabajoTrabajo

Bases del efecto FotovoltaicoBases 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 FVLa celda solar y el efecto FV

Radiación solar

Celda solar

Generación de fotocorriente directa !!!

Voltaje fotogenerado

Corriente eléctrica fotogenerada

CELDA SOLAR

Evidencia física del efecto FVEvidencia física del efecto FVLUZ SOLAR: FOTONES

Energía del FotónE = hE = 1.24/: Longitud de onda (m)E: eV (electron volt)

CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA:

Irradiancia: 1,000 W/m2

Temperatura de celda: 25°CMasa de Aire: 1.5

La Generación FotovoltaicaLa Generación FotovoltaicaCONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA:

Irradiancia: 1,000 W/m2

Temperatura de celda: 25°CMasa de Aire: 1.5

Luz solar

Voltímetro

(-) (+)

Como trabaja una celda solar?Como trabaja una celda solar?

Celda Solar

EiZona 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/m2

Temperatura de celda: 25ºC Masa de aire: 1.5

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 Procesos Físicos eFísicos en n uuna Celda Solarna Celda Solar

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 OhmLey de Ohm

V = R I

R

I+ -

V

Menor valor de R

Mayor valor de R

VV

Amperímetro

Voltímetro

Ley de Ohm

Características eléctricas de materialesCaracterísticas eléctricas de materiales

Características eléctricas de la Características eléctricas de la celda solarcelda solar

Curva característica de una celda solar en la obscuridad

V

I

I

P N

+V

I

RiID=I0 (e qV/kT –1)

Union P-N

Curva característica de una celda solar bajo iluminación

V

+

ID

RiVL

IL

IS

VIL

I

IS = ID-IL

Características eléctricas de la Características eléctricas de la celda solarcelda solar

Parámetros eléctricos de una Parámetros eléctricos de una celda solarcelda 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)

Procedimiento para medir Voltaje a Circuito abierto, Vca, y la Corriente de Corto circuito Icc

Area 100 cm2 Area 100 cm2

0.59 3.2

VOLTÍMETRO(Alta impedancia)

(-)

(+) (+)

(-)

AMPERÍMETRO(Impedancia=0)

I = 0 amp

Vca = 0.59 volts

Icc = 3.2 ampersV= 0 volts

Parámetros Eléctricos en una celda solarParámetros Eléctricos en una celda solar

Area 100 cm2

0.452.5

VOLTÍMETROVop = 0.54 volts

(-)

(+)

AMPERÍMETRO(Impedancia=0)

Iop = 2.5 A CargaI

Vv1 v2

Vca

Vm

I

2

I

1Im

Icc

Rectángulo de Area Máxima

PUNTO DE MÁXIMAPOTENCIA Pm = Im Vm

POTENCIA LUMINOSA ( Pi )

Acoplamiento de una “Carga” a Acoplamiento de una “Carga” a una celda solar.una celda solar.

RL

Parámetros eléctricos de una celda Parámetros eléctricos de una celda solar.solar.

Corriente a corto circuito ICC

Voltaje a circuito abierto VCA

Potencia máxima generada PM

N

PVCA

FF= IMVM/ICCVCA

EFICIENCIA DE CONVERSIÓNES 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 solaresEficiencia en celdas solares

Superficie de 1m x 1 mAe= 1.0 m2

G = 1,000 Watt/m2 Ps=

Generación de 150 Watts

Celda con =15 %

Eficiencia = PS/PIPI = G Ae

Resistencia de carga en Resistencia de carga en celdas solaresceldas 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 Efecto de la resistencia en las celdas solaresceldas 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.

0 20 40 60 80 100 1200

1

2

3

4

5

6

ICC

= 0.044 H

Cor

rient

e a

corto

circ

uito

(A)

Irradiancia (W/m2)

(b)(a)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70

1

2

3

4

5

6

PM

200 W/m2

400 W/m2

600 W/m2

800 W/m2

1,000 W/m2

1,200 W/m2

Cor

rient

e (A

)

Voltaje (V)

Efecto de la IrradianciaEfecto de la Irradiancia

La corriente de corto circuito es directamente proporcional a la magnitud de la irradiancia

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70

1

2

3

4

5

65º C

55º C

45º C

35º C

25º C

0º C

Cor

rien

te (

A)

Voltaje (V)

Efecto de la TemperaturaEfecto 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.

CARACTERISTICAS

Valores típicos a 1kW/m2 y 25°C

DIMENSIONES [mm]

1 Celda 101 x 101

½ Celda 101 x 50.5

¼ Celda 50.5 x 50. 5

¼

Celda

½

CeldaCelda

1.536(g)Peso

0.651.32.6(A)ImCorriente

a Pot. máx.

0.470.470.47(V)VmVoltaje a

Pot. máx.

0.30.601.35(W)PmPot. máx.

(± 10%)

0.721.452.9(A)IscCorriente de corto cto

0.60.60.6(V)VocVoltaje a

cto. abierto

Efecto del área de la celdaEfecto del área de la celda

¿Que Materiales son adecuados para ¿Que Materiales son adecuados para construir celdas solares?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

CuInSe2

AMORFO

MONOCRISTAL,POLICRISTAL

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-pHETEROUNIONES: Histórica CdS tipo-n / CuxS tipo-pCelda comercial: CdS/CdTeBARRERA SCHOTTKY: Unión rectificadora metal/semiconductorUNION 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 TecnológicasConsideraciones Tecnológicas ppara ara Fabricación de Fabricación de Celdas Celdas

SolaresSolares

HOMOUNIÓN HETEROUNIÓNMetal-SemiconductorBarrera SCHOTTKY

S-I-S

N

P

Estructuras para Celdas SolaresEstructuras para Celdas SolaresRejilla colectora

P P

P

N N

I

Capa antireflectora

Contacto metálico trasero

Capa N

Capa P

Colector-ConvertidorCapa ventana

Absorbedor-GeneradorCapa absorbedora

P

Materiales de fabricaciónMateriales 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 Celdas Solares de Silicio

SILICIO AMORFO: Película DelgadaSILICIO AMORFO: Película Delgada

Contacto metálico

p ~200mm

n+ 0.5 mm

Rejilla

3mm

150mm

300mm

p+ 0.5 mm

Terminal (-)

Terminal (+)

p ~200mm

n+ 0.5 mm

Recubrimiento antireflector 0.1 m

3mm

mm

300mm

p+ 0.5 mm

Terminal (-)

Terminal (+)

(a) (b)

150 m

3 mm

150 m

3 mm

Anatomía de una celda solar Anatomía de una celda solar de silicio monocristalinode silicio monocristalino

SUPERFICIE TEXTURIZADA

SILICIO SILICIO

MONOCRISTALMONOCRISTAL

POLICRISTALPOLICRISTAL AMORFOAMORFO

VCA 0.74 VJCC 41.6 mA/cm2

PM 24.67 mW/cm2

VCA 0.8-2.3 VJCC 7.7-19.4 mA/cm2

PM 13.64 mW/cm2

VCA 0.61 V

JCC 36.4 mA/cm2

PM 17.25 mW/cm2

Tecnología Fotovoltaica Comercial Tecnología Fotovoltaica Comercial

TELURIO DE CADMIOTELURIO DE CADMIO

SELENIURO DE COBRE-INDIOSELENIURO DE COBRE-INDIO

VCA 0.84 VJCC 26.7 mA/cm2

Siemens Solar Industries

First Solar

VCA 0.669 V

JCC 35.7 mA/cm2

PM 18.39 mW/cm2

VCA 0.84 V

JCC 26.7 mA/cm2

PM 17.3 mW/cm2

TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA COMERCIAL TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA COMERCIAL

Tecnología SANYOTecnología SANYOHeterounión a-Si/x-Si/a-Si

Eficiencia record Celdas:23%Modulo: 16.4%

Estado Actual de la Tecnología Estado Actual de la Tecnología FotovoltaicaFotovoltaica

Diseño en homounión Estatus

TIPO DETECNOLOGÍA

*Silicio monocristalino (gruesa)*Silicio policristalino (gruesa)*Silicio amorfo (película delgada)Películas delgadas monocristalinas*Arsenuro de Galio (GaAs)

Disponible comercialmente

Bajo desarrolloDiseño en Heterounión Estatus

TIPO DETECNOLOGÍA

Películas delgadas policristalinas:*Cobre-Indio-Diselenio*Telenuro de Cadmio

Disponiblescomercialmente

Diseño de unión múltiple Estatus

TIPO DETECNOLOGÍA

a-SiC/a-Sia-Si/a-Sia-Si/a-SiGea-Si/poli-Sia-Si/CuInSe2GaAs/GaSb

Bajo Desarrollo

CONFIGURACIÓNDE MÓDULOS

Módulos Planos

Módulos con concentrador

Disponible comercialmente

Disponible comercialmente

Eficiencia de Celdas de Silicio Eficiencia de Celdas de Silicio CristalinoCristalino

CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO; IRRADIANCIA AM1.5

TÉCNICA

DE ELABORACIÓN

TIPO

DECELDA

ORGANIZACIÓN ÁREA

(cm2)

h

(%)

Zona Flotante MX PERL Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA 4 24.2

(ZF mx) BPCC Stanford 37.5 22.7

Simple BCC Stanford 10 21.2

BCSC Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA 12 21.3

Czochralski MX BCSC Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA 47 18.3

(CZ mx) n+ pp

+Telefunken, Siemens 113 18.0

n+ pp

+Sharp 100 17.3

comercial Varios 100 13.0

Silicio Moldeado PX PESC Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA 4 17.1

(CS px) BCSC Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA 10.5 16.2

n+ pp

+Sharp 100 15.8

n+ pp

+Telefunken 142 13.5

comercial Varios (Solarex, Kyocera,...) 100 12.0

37 www.cie.unam.mx

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