universidad nacional autónoma de méxico centro de...
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Principios de la Conversión fotovoltaica
Universidad Nacional Autónoma de México
Centro de Investigación en Energía
Curso de Especialización
Sistemas Fotovoltaicos de Interconexión FIRCO
Morelos, 16 a 20 de enero de 2012 UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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Objetivo
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 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
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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)
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Energía Solar
El binomio de generación de energía limpia
Tecnología FV
Electricidad
Trabajo
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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.
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La celda solar y el efecto FV
Radiación solar
Celda solar
Generación de fotocorriente directa !!!
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Voltaje fotogenerado
Corriente eléctrica fotogenerada
CELDA SOLAR
Evidencia física del efecto FV
LUZ SOLAR: FOTONES
Energía del Fotón
E = h
E = 1.24/
: Longitud de onda
(m)
E: eV (electron volt)
CONDICIONES ESTÁNDARES
DE PRUEBA:
Irradiancia: 1,000 W/m2
Temperatura de celda: 25°C
Masa de Aire: 1.5
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La Generación Fotovoltaica CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA:
Irradiancia: 1,000 W/m2
Temperatura de celda: 25°C
Masa de Aire: 1.5
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Luz solar
Voltímetro
( - ) ( + )
Como trabaja una celda solar?
Celda Solar
Ei
Zona 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
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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 Físicos en una Celda Solar
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El comportamiento lineal indica que:
I a V I =m V m =1/R
I
V
De donde:
V= Voltaje ( Volts )
I = Corriente ( Amper )
R = Resistencia (ohm)
Ley 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 materiales
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Características eléctricas de la celda solar
Curva característica de una celda solar en la obscuridad
V
I
I
P N
+
V
I
Ri ID=I0 (e qV/kT –1)
Union P-N
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Curva característica de una celda solar bajo iluminación
V
+
I D
Ri VL
I L
I S
V IL
I
IS = ID-IL
Características eléctricas de la celda solar
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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)
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Procedimiento para medir Voltaje a Circuito abierto, Vca, y la Corriente de Corto circuito Icc
Area 100 cm 2 Area 100 cm 2
0.59 3.2
VOLTÍMETRO
(Alta impedancia)
(-)
( + ) ( + )
(-)
AMPERÍMETRO
(Impedancia=0)
I = 0 amp
Vca = 0.59 volts
Icc = 3.2 ampers
V= 0 volts
Parámetros Eléctricos en una celda solar
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Area 100 cm2
0.45 2.5
VOLTÍMETRO
Vop = 0.54 volts
(-)
(+)
AMPERÍMETRO
(Impedancia=0)
Iop = 2.5 A Carga I
V v1 v2
Vca
Vm
I2
I1
Im
Icc
Rectángulo de
Area Máxima
PUNTO DE MÁXIMA
POTENCIA
Pm = Im Vm
POTENCIA LUMINOSA
( Pi )
Acoplamiento de una “Carga” a una celda solar.
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Parámetros eléctricos de una celda solar.
Corriente a corto
circuito ICC
Voltaje a circuito
abierto VCA
Potencia máxima
generada PM
N
P VCA
FF= IMVM/ICCVCA
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)
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Eficiencia en celdas solares
Superficie de 1m x 1 m
Ae= 1.0 m2
Ps= Generación de
150 Watts
Celda con =15 %
Eficiencia = PS/PI PI = G Ae
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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
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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.
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0 20 40 60 80 100 120
0
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 0,7
0
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 Irradiancia
La corriente de corto circuito es directamente
proporcional a la magnitud de la irradiancia
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0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0
1
2
3
4
5
65º C
55º C
45º C
35º C
25º C
0º C
Corri
ente
(A)
Voltaje (V)
Efecto 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.
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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
Celda
Celda
1.5 3 6 (g) Peso
0.65 1.3 2.6 (A) Im Corriente
a Pot. máx.
0.47 0.47 0.47 (V)
Vm Voltaje a
Pot. máx.
0.3 0.60 1.35 (W) Pm Pot. máx.
(± 10%)
0.72 1.45 2.9 (A)
Isc Corriente de
corto cto
0.6 0.6 0.6 (V)
Voc Voltaje a
cto. abierto
Efecto del área de la celda
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¿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.
SEMICONDUCTORES
GRUESOS
DELGADOS
SILICIO MONOCRISTAL,
POLICRISTAL
SILICIO
GaAS
CdTe
CuInSe2
AMORFO
MONOCRISTAL,
POLICRISTAL
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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
Consideraciones Tecnológicas para Fabricación de Celdas Solares
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HOMOUNIÓN HETEROUNIÓN Metal-Semiconductor Barrera SCHOTTKY
S-I-S
N
P
Estructuras para Celdas Solares Rejilla colectora
P P
P
N N
I
Capa antireflectora
Contacto metálico trasero
Capa N
Capa P
Colector-Convertidor Capa ventana
Absorbedor-Generador Capa absorbedora
P
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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.
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Celdas Solares de Silicio
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SILICIO AMORFO: Película Delgada
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Contacto metálico
p ~ 200 m m
n + 0.5 m m
Rejilla
3mm
150 m m
300 m m
p + 0.5 m m
Terminal ( - )
Terminal ( + )
p ~ 200 m m
n + 0.5 m m
Recubrimiento antireflector 0.1 m
3mm
m m
300 m m
p + 0.5 m m
Terminal ( - )
Terminal ( + )
(a) (b)
150 m
3 mm
150 m
3 mm
Anatomía de una celda solar de silicio monocristalino
SUPERFICIE TEXTURIZADA
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SILICIO
MONOCRISTAL
POLICRISTAL AMORFO
VCA 0.74 V
JCC 41.6 mA/cm2
PM 24.67 mW/cm2
VCA 0.8-2.3 V
JCC 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
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TELURIO DE CADMIO
SELENIURO DE COBRE-INDIO
VCA 0.84 V
JCC 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
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Tecnología SANYO Heterounión a-Si/x-Si/a-Si
Eficiencia record Celdas:23% Modulo: 16.4%
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Estado Actual de la Tecnología Fotovoltaica
Diseño en homounión Estatus
TIPO DE TECNOLOGÍA
*Silicio monocristalino (gruesa) *Silicio policristalino (gruesa) *Silicio amorfo (película delgada) Películas delgadas monocristalinas *Arsenuro de Galio (GaAs)
Disponible comercialmente
Bajo desarrollo
Diseño en Heterounión Estatus
TIPO DE
TECNOLOGÍA
Películas delgadas policristalinas: *Cobre-Indio-Diselenio *Telenuro de Cadmio
Disponibles comercialmente
Diseño de unión múltiple Estatus
TIPO DE TECNOLOGÍA
a-SiC/a-Si a-Si/a-Si a-Si/a-SiGe a-Si/poli-Si a-Si/CuInSe 2
GaAs/GaSb
Bajo Desarrollo
CONFIGURACIÓN DE MÓDULOS
Módulos Planos
Módulos con concentrador
Disponible comercialmente
Disponible comercialmente
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Eficiencia de Celdas de Silicio
Cristalino
CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO; IRRADIANCIA AM1.5
TÉCNICA
DE ELABORACIÓN
TIPO
DECELDA
ORGANIZACIÓN ÁREA
(cm 2
)
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
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Gracias