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Principios de la Conversión fotovoltaica
Objetivo
 Proporcionar algunos de los
importantes relacionados con
Fotovoltaico
fenómenos
el Efecto
 Dar una visión del estado del arte actual de
la tecnología de celdas solares
www.cie.unam.mx
El 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...
1839
E. Bequerel descubre el efecto FV
Estudios del efecto FV en sólidos. Dispositivo FV de
Se con eficiencias del 1% - 2 %
1870
Bell Lab. presenta su primera celda solar de Si
cristalino con 6% de eficiencia
1954
Primer satélite espacial con
tecnología FV
1958
1970
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)
El binomio de generación de energía
limpia
Energía Solar
Tecnología FV
Trabajo
Electricidad
Bases 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 FV
Radiación solar
Celda solar
Generación de fotocorriente directa !!!
Evidencia física del efecto FV
LUZ SOLAR: FOTONES
CONDICIONES ESTÁNDARES
DE PRUEBA:
Energía del Fotón
E = h
E = 1.24/
: Longitud de onda
(m)
E: eV (electron volt)
Irradiancia: 1,000 W/m2
Temperatura de celda: 25°C
Masa de Aire: 1.5
CELDA SOLAR
Voltaje fotogenerado
Corriente eléctrica fotogenerada
La Generación Fotovoltaica
CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA:
Irradiancia: 1,000 W/m2
Temperatura de celda: 25°C
Masa de Aire: 1.5
Como trabaja una celda solar?
Condiciones estándares de Prueba
Irradiancia: 1.0 kW/m2
Temperatura de celda: 25ºC
Masa de aire: 1.5
Sin Luz
Luz solar
~ 0.00
0.60
(-)
Acumulación de
carga negativa
N
Ei
Zona del
campo
Electrones
y huecos
Acumulación de
carga positiva
P
Celda Solar
(+)
Voltímetro
Procesos Físicos en una Celda Solar
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.
Características eléctricas de materiales
V
Voltímetro
Ley de Ohm
R
-
+
V
Menor
valor de R
I
I
Mayor valor
de R
V
Amperímetro
De donde:
V= Voltaje (Volts)
El comportamiento lineal indica que:
I =m V
m =1/R
I a V
I = Corriente (Amper)
R = Resistencia (ohm)
Ley de Ohm
V = R I
Características eléctricas de la celda
solar
Curva característica de una celda solar en la obscuridad
I
ID=I0 (e
P
qV/kT
Ri
–1)
N
+
V
I
I
V
Union P-N
Características eléctricas de la celda
solar
Curva característica de una celda solar bajo iluminación
I
IS
VL
V
Ri
+
V
IL
IL
ID
IS = ID-IL
Parámetros eléctricos de una
celda 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)
Parámetros Eléctricos en una celda solar
Procedimiento para
medir Voltaje a
Circuito abierto, Vca, y la Corriente de
Corto circuito Icc
VOLTÍMETRO
(Alta impedancia)
0.59
AMPERÍMETRO
(Impedancia=0)
Vca = 0.59 volts
3.2
(-)
(-)
I = 0 amp
Area 100 cm2
(+)
Area 100 cm2
(+)
Icc = 3.2 ampers
V= 0 volts
Acoplamiento de una “Carga” a una
celda solar.
POTENCIA LUMINOSA
( Pi )
VOLTÍMETRO
Vop = 0.54 volts
0.45
(-)
AMPERÍMETRO
(Impedancia=0)
2.5
RL
Area 100 cm2
Iop = 2.5 A
(+)
I
Icc
I
1
Im
Rectángulo de
Area Máxima
I
Carga
PUNTO DE MÁXIMA
POTENCIA
Pm = Im Vm
2
Vca
v1
Vm v2
V
Parámetros eléctricos de una celda solar.
FF= IMVM/ICCVCA
N
P
VCA
 Corriente a corto
circuito ICC
 Voltaje a circuito
abierto VCA
 Potencia máxima
generada PM
EFICIENCIA DE CONVERSIÓN
ES 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 solares
Eficiencia = PS/PI
PI = G Ae
Celda con =15 %
Ps= Generación
de
150 Watts
Superficie de 1m x 1 m
Ae= 1.0 m2
Resistencia de carga en celdas
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 celdas
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.
Efecto de la Irradiancia
La corriente de corto circuito es directamente
proporcional a la magnitud de la irradiancia
6
6
2
1,200 W/m
PM
5
5
ICC= 0.044 H
2
4
Corriente a corto circuito (A)
1,000 W/m
2
Corriente (A)
800 W/m
3
2
600 W/m
2
2
400 W/m
1
200 W/m
2
4
3
2
1
0
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Voltaje (V)
(a)
0,5
0,6
0,7
0
20
40
60
80
2
Irradiancia (W/m )
(b)
100
120
Efecto de la Temperatura
5
4
0º C
Corriente (A)
3
25º C
35º C
2
45º C
55º C
65º C
1
LOS FACTORES SON:
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Voltaje (V)
Vca : Reducción del orden de 2.1mVolt por cada grado centígrado.
Icc: Aumento del 0.1% de su valor, a temperatura ambiente, por cada grado centígrado
Efecto del área de la celda
CARACTERISTICAS
DIMENSIONES [mm]
Valores típicos a 1kW/m2 y 25°C
Celda
½
Celda
¼
Celda
Voltaje a
cto. abierto
Voc
(V)
0.6
0.6
0.6
Corriente de
corto cto
Isc
(A)
2.9
1.45
0.72
Pot. máx.
(± 10%)
Pm
(W)
1.35
0.60
0.3
Voltaje a
Pot. máx.
Vm
(V)
0.47
0.47
0.47
Corriente
a Pot. máx.
Im
(A)
2.6
1.3
0.65
Peso
(g)
6
3
1.5
1 Celda
½ Celda ¼ Celda
101 x 101
101 x 50.5 50.5 x 50. 5
¿Que Materiales son adecuados para
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.
GRUESOS
SEMICONDUCTORES
SILICIO
SILICIO
MONOCRISTAL,
POLICRISTAL
AMORFO
GaAS
DELGADOS
CdTe
CuInSe2
MONOCRISTAL,
POLICRISTAL
Consideraciones Tecnológicas para
Fabricación de Celdas Solares
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-p
HETEROUNIONES: Histórica CdS tipo-n / CuxS tipo-p
Celda comercial: CdS/CdTe
BARRERA SCHOTTKY: Unión rectificadora metal/semiconductor
UNION 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
Estructuras para Celdas Solares
Rejilla colectora
Capa antireflectora
Capa N
Colector-Convertidor
Capa ventana
Capa P
P
Absorbedor-Generador
Capa absorbedora
Contacto metálico
trasero
N
P
N
P
P
N
I
P
HOMOUNIÓN HETEROUNIÓN Metal-Semiconductor S-I-S
Barrera SCHOTTKY
Materiales 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
SILICIO AMORFO: Película Delgada
Anatomía de una celda solar de
silicio monocristalino
SUPERFICIE TEXTURIZADA
150 m
3 mm
Recubrimiento
antireflector 0.1
m
Rejilla
150mm
3mm
300mm
n+ 0.5mm
p
~200mm
p+ 0.5mm
(a)
Terminal -()
Terminal +( )
Contacto metálico
(b)
Tecnología Fotovoltaica Comercial
MONOCRISTAL
VCA 0.74 V
JCC  41.6 mA/cm2
PM  24.67 mW/cm2
VCA  0.61 V
JCC  36.4 mA/cm2
PM  17.25 mW/cm2
SILICIO
POLICRISTAL
VCA  0.8-2.3 V
JCC  7.7-19.4 mA/cm2
PM  13.64 mW/cm2
AMORFO
TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA COMERCIAL
TELURIO DE CADMIO
First Solar
VV
0.84 VV
CA
CA0.84
26.7mA/cm
mA/cm2 2
JJCCCC26.7
PM  17.3 mW/cm2
SELENIURO DE COBRE-INDIO
Siemens Solar Industries
VCA  0.669 V
JCC  35.7 mA/cm2
PM  18.39 mW/cm2
Tecnología SANYO
Heterounión a-Si/x-Si/a-Si
Eficiencia record
Celdas:23%
Modulo: 16.4%
Estado Actual de la Tecnología
Fotovoltaica
TIPO DE
TECNOLOGÍA
TIPO DE
TECNOLOGÍA
TIPO DE
TECNOLOGÍA
Diseño en homounión
Estatus
*Silicio monocristalino (gruesa)
*Silicio policristalino (gruesa)
Disponible comercialmente
*Silicio amorfo (película delgada)
Películas delgadas monocristalinas
*Arsenuro de Galio (GaAs)
Bajo desarrollo
Diseño en Heterounión
Estatus
Películas delgadas policristalinas:
*Cobre-Indio-Diselenio
Disponibles
*Telenuro de Cadmio
comercialmente
Diseño de unión múltiple
Estatus
a-SiC/a-Si
a-Si/a-Si
a-Si/a-SiGe
Bajo Desarrollo
a-Si/poli-Si
a-Si/CuInSe
2
GaAs/GaSb
Módulos Planos
Disponible comercialmente
CONFIGURACIÓN
DE MÓDULOS
Módulos con concentrador
Disponible comercialmente
Eficiencia de Celdas de Silicio Cristalino
CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO; IRRADIANCIA AM1.5
TÉCNICA
TIPO
DE ELABORACIÓN
Zona Flotante
MX
(ZF mx)
Czochralski
MX
(CZ mx)
ORGANIZACIÓN
2
DECELDA
PERL
ÁREA
Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA
h
(cm )
(%)
4
24.2
BPCC
Stanford
37.5
22.7
Simple BCC
Stanford
10
21.2
BCSC
Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA
12
21.3
BCSC
Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA
47
18.3
+
+
Telefunken, Siemens
113
18.0
+
+
Sharp
100
17.3
Varios
100
13.0
n pp
n pp
comercial
Silicio Moldeado PX
PESC
Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA
4
17.1
(CS px)
BCSC
Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA
10.5
16.2
Sharp
100
15.8
Telefunken
142
13.5
Varios (Solarex, Kyocera,...)
100
12.0
+
+
+
+
n pp
n pp
comercial
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