física de celdas fotovoltaicas cap. iii: celdas...
TRANSCRIPT
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
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Unión p-n
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Unión p-n
Directa
Inversa
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Curva característica I-V de un diodo de Si
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
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.
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares - Historia
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%).
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
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 %).
Celdas Solares - Historia
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares - Historia
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.
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Curva de Experiencia en Fotovoltaicos
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Costo de la Electricidad Solar
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Irradiancia Solar Mundial
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Situación de Energías Renovables en el Perú
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Eficiencia de Conversión vs Tiempo
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
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
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
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).
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares Pérdidas
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares Pérdidas
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
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)
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Proceso de Fabricación de Si (mc)
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares - Texturización
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares - Contacto
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares – Curva I V
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares – Si Policristalino
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares – Si Policristalino
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
14-17 % eficiencia
Celdas Solares – Si (a)
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares – Si(a)
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares – Si(a)
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares – Si
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
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
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
25% de eficiencia
Celdas Solares SUNPOWER de Si
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas producidas ~ 22.4% de eficiencia; nuevos
prototipos con 23.4%.
Celdas Solares Sanyo de Si
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares – CIGS
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
10 – 12 % de eficiencia
Celdas Solares – CdTe
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
11-15 % de eficiencia
Celdas Solares – GaAs
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares de Colorante
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
11 % de eficiencia
Celdas Solares Tipo Tandem
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares Tipo Tandem
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares Tipo Tandem
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares Cuánticas
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
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.
Celdas Solares Cuánticas
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis
Celdas Solares Cuánticas
Cap III: Fisica de Celdas Fotovoltaicas Jose Solis