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Fundamentos de la energía solar fotovoltaica: célula solar

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David Sales

on 12 October 2016

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Transcript of Fundamentos de la energía solar fotovoltaica: célula solar

Fundamentos de la energía solar fotovoltaica: la célula solar
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética

Estructura cristalina
enlaces covalentes
(red 3D)
Banda de conducción
Banda de
valencia
Energías prohibidas
(gap)
Bibliografía:
Martí, A.
, Fundamentos de la Conversión Fotovoltáica: La Célula Solar, Serie Ponencias, ED. Ciemat (Madrid), 2002.
Lynn, P. A.
, Electricity from Sunlight : An Introduction to Photovoltaics, Ed. Wiley, 2010.
Häberlin, H.
, Photovoltaics System Design and Practice, Ed. John Wiley & Sons, 2012.
Callister, W.D.
, Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. (vol.2), Ed. REVERTÉ, Barcelona, 2007.

electrones "libres"
electrones ligados
a los átomos
nº electrones = nº huecos =
huecos
concentración
intrínseca
En semiconductores
intrínsecos
:
n = p =
Características de los
SEMICONDUCTORES
Para explicar mecanismo de conducción hay que considerar:

partículas positivas (huecos)

partículas negativas (electrones)
Su
resistencia
disminuye con la temperatura
La conductividad aumenta al irradiar con fotones con
E > Eg
Conductividad
eléctrica entre conductor y aislante
movilidad huecos
nº huecos / m3
valor absoluto de la carga del e-
Conductividad
eléctrica
Semiconductores
extrínsecos
comportamiento eléctrico determinado por las
impurezas
tipo n
- impurezas donadoras
tipo p
- impurezas aceptoras
Estructura cristalina simplificada
y teoría de bandas
Band-gap
Engineering
¿por qué es tan importante?
Mecanismos de generación y recombinación de excitones
recombinación generación
Radiativo
Shockley-Read-Hall (SRH)
Auger
Fuente gráfica: http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/entner/node11.html
Superficial
Generación y Recombinación
ocurren continuamente
en un semiconductor

Si está en
equilibrio
(aislado del exterior)
nº procesos = nº procesos
generación recombinación

Tiempo de vida
( ):
cuánto puede permanecer un portador en una banda sin que sufra recombinación
Proceso por el cual un e- gana energía suficiente para
promocionarse
de la banda de valencia a la de conducción. Se
genera un par electrón-hueco
(par
eh
).
Proceso por el cual un electrón libre es
capturado
por un enlace vacío (hueco) de la red.
Se
aniquila un par electrón-hueco
(par
eh
).
Principio del proceso de
conversión fotovoltáica
Otros parámetros que caracterizan a los semiconductores
Longitud
de difusión de portadores
Movilidad
de los portadores,
Constante de
difusión
,
Coeficiente de
absorción
,
L
D
distancia promedio que un portador recorre desde que se genera hasta que se recombina.
En Si es del orden de mm, y en GaAs de m
es la constante de proporcionalidad entre la velocidad que adquiere el portador y el valor del campo eléctrico al que está sometido. Es una medida del número de "colisiones" que sufre con la red (scattering).
tendencia que tienen dos portadores de la misma especie a repelerse.
http://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/diffusion
determina lo que puede penetrar en el material una luz de una determinada longitud de onda
antes de ser absorbido para crear un par
eh
.
absorción
pobre
material
+ transparente
¿Por qué tienen todas
finales abruptos?
Estructura básica de una célula solar
no basta con poner dos cables a un semiconductor y ponerlo al sol...
Unión pn
hace posible la existencia de un campo eléctrico en la célula.
Malla de metalización frontal
necesaria para extraer la corriente eléctrica generada. Como absorbe luz, debe cubrir lo menos posible la superficie, a la vez que debe llevar asociada la mínima resistencia eléctrica.
Funcionamiento de una célula solar y parámetros característicos
La
corriente de cortocircuito
. Es la que se obtiene cuando la tensión entre sus bornas es de cero voltios. Es la
máxima
que se puede obtener en una célula solar.
Del orden de 10-35 mA/cm2.
La
tensión de circuito abierto
. La necesaria para que los procesos de
recombinación y generación se igualen,
y por lo tanto,
la corriente que se extrae de la célula es nula
. Es la
máxima
que se puede extraer en una célula solar.
Del orden de 0,6
V
en Si, y 1
V
en GaAs.
La
potencia máxima
. Es el valor máximo que se puede obtener del producto P=IV. A los valores de corriente y tensión correspondientes a
Pm
se le nombran
Im
y
Vm
.
El
factor de forma
o

fill factor
.
Número que facilita la descripción del punto de máxima potencia de forma que:
Pm = Isc·Voc·FF
El valor máximo que puede tomar es 1, y cuanto más cercano a 1, mejor será la célula
La
eficiencia
. Expresada en % es el parámetro por excelencia que
define el funcionamiento
de la célula solar. Relaciona la potencia que obtenemos de la célula y la potencia de la luz que incide sobre ella.

ver animación en: http://pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/light-generated-current
¿Cómo mejorar la corriente de cortocircuito?
Mecanismos de
pérdidas

Pérdidas ópticas
(1,2,3):
Reflexión en superficie de la célula
Reflexión con la malla de metalización

Fotones con
E< Eg
.

Pérdidas por
transmisión
: fotones con E>Eg que no son absorbidos.

Recombinación
en cortocircuito (6): pares
eh
que se aniquilan antes de que el electrón circule por el circuito exterior.
Soluciones
No hay solución
Aumentar espesor
Texturizar superficies
Contacto trasero reflectante
A. Crear en la celda un
back surface field
(BSF)
, donde una región altamente dopada con aluminio
reduce la tendencia de los fotones rojos a recombinarse
al final de la celda, además de actuar como contacto trasero.

B. Las recombinaciones en las superficies se minimizan mediante un tratamiento térmico que
pasiva la superficie
con una fina capa de óxido.

C. Las regiones cercanas a los contactos se pueden
dopar fuertemente con "espejos de portadores minoritarios"
, que disuaden a los huecos en la capa superior tipo-n de acercarse a los contactos y recombinarse con los preciados electrones libres.
Parámetros de oscuridad
Una célula solar es un diodo. Como tal, su característica I-V medida en oscuridad corresponde a la de un diodo:
Factor de idealidad del diodo, típicamente entre 1 y 2.
La corriente va del lado p al n.
Dependencia exponencial de la tensión
V
Corriente inversa de saturación
del diodo, depende fuertemente de T

Dan información sobre el grado de recombinación de la célula
Si quisiéramos calcular la corriente que pasa por una célula
iluminada y sometida a una tensión V
por efecto de la carga, podemos hacerlo mediante el
principio de superposición
:

I = +
corriente que pasaría por la célula si estuviese iluminada y con
V=0
corriente que pasaría por la célula sin iluminar pero sometida a la tensión
V
describe la
curva característica ideal
de una célula solar
Podemos estimar así la tensión de circuito abierto igualando a cero y despejando
V
:

Factor de forma, resistencia serie y paralelo
Estimación del FF de la característica ideal:
Sin embargo, la curva característica ideal de la célula solar se ve alterada por la presencia de dos factores:
1) La
resistencia en serie,
Rs
,
es una resistencia interna de la célula y se debe a la malla de metalización, a la resistencia de los contactos y a la resistencia del propio semiconductor.

2) La
resistencia en paralelo,
Rp
, tiene su origen en imperfecciones de la unión
pn
que constituye la célula.
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