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