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Principios de la Conversión fotovoltaica

Principios de la Conversión fotovoltaica. 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. www.cie.unam.mx. El efecto fotovoltaico.

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Principios de la Conversión fotovoltaica

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Presentation Transcript

  1. Principios de la Conversión fotovoltaica

  2. 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 www.cie.unam.mx

  3. 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

  4. 1839 1870 1954 1958 1970 El nublado pasado de la energía solar... E. Bequerel descubre el efecto FV 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 Primer satélite espacial con tecnología FV Aumenta el interés en la tecnología FV, crisis mundial petrolera

  5. El binomio de generación de energía limpia Energía Solar Tecnología FV Trabajo Electricidad

  6. 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.

  7. La celda solar y el efecto FV Radiación solar Celda solar Generación de fotocorriente directa !!!

  8. CELDA SOLAR Evidencia física del efecto FV LUZ SOLAR: FOTONES CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA: Irradiancia: 1,000 W/m2 Temperatura de celda: 25°C Masa de Aire: 1.5 Energía del Fotón E = h E = 1.24/ : Longitud de onda (m) E: eV (electron volt) Voltaje fotogenerado Corriente eléctrica fotogenerada

  9. La Generación Fotovoltaica CONDICIONES ESTÁNDARES DE PRUEBA: Irradiancia: 1,000 W/m2 Temperatura de celda: 25°C Masa de Aire: 1.5

  10. Sin Luz ~ 0.00 ~ 0.60 Acumulación de carga negativa Luz solar - ( ) N Ei Zona del campo + ( ) P Acumulación de carga positiva Como trabaja una celda solar? Condiciones estándares de Prueba Irradiancia: 1.0 kW/m2 Temperatura de celda: 25ºC Masa de aire: 1.5 Voltímetro Electrones y huecos Celda Solar

  11. 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 unCAMPO 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 portadoresfotogenerados deben de tener un tiempo de vida grande para que puedan ser colectados en los contactos eléctricos exteriores.

  12. I V De donde: V= Voltaje ( Volts ) I = Corriente ( Amper ) R = Resistencia (ohm) V = R I Característicaseléctricas de materiales Voltímetro Ley de Ohm Menor valor de R R Mayor valor de R - + I Amperímetro V El comportamiento lineal indica que: a V I =m V m =1/R I Ley de Ohm

  13. Características eléctricas de la celda solar ID=I0 (e qV/kT –1) I Ri P N + V I I V Curva característica de una celda solar en la obscuridad Union P-N

  14. I I S V Ri VL + IL V I L I D IS = ID-IL Características eléctricas de la celda solar Curva característica de una celda solar bajo iluminación

  15. 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 VMcuyo 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)

  16. VOLTÍMETRO AMPERÍMETRO (Alta impedancia) (Impedancia=0) Vca = 0.59 volts 0.59 3.2 (-) (-) Icc = 3.2 ampers I = 0 amp V= 0 volts Area 100 cm Area 100 cm 2 2 + ( ) + ( ) ParámetrosEléctricos en unacelda solar Procedimiento para medir Voltaje a Circuito abierto, Vca, y la Corriente de Corto circuito Icc

  17. Acoplamiento de una “Carga” a una celda solar. AMPERÍMETRO (Impedancia=0) POTENCIA LUMINOSA ( Pi ) VOLTÍMETRO Vop = 0.54 volts 2.5 0.45 (-) RL Area 100 cm2 (+) Iop = 2.5 A Carga I Icc PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA Pm = Im Vm I1 Im Rectángulo de Area Máxima I2 Vca V v1 Vm v2

  18. N VCA P EFICIENCIA DE CONVERSIÓN ES LA RAZÓN ENTRE LA POTENCIA GENERADA POR LA CELDA CUANDO SOBRE ELLA INCIDE UNA POTENCIA LUMINOSA  = P / P X 100 Donde PI es la potencia solar que incide en el área efectiva de la celda (irradiancia por área de la celda) M I Parámetros eléctricos de una celda solar. FF= IMVM/ICCVCA • Corriente a corto circuito ICC • Voltaje a circuito abierto VCA • Potencia máxima generada PM

  19. Eficiencia en celdas solares Eficiencia = PS/PI PI = G Ae Celda con =15 % Ps= Generación de 150 Watts G = 1,000 Watt/m2 Superficie de 1m x 1 m Ae= 1.0 m2

  20. 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

  21. 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 paraleloRsh 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.

  22. (a) (b) Efecto de la Irradiancia La corriente de corto circuito es directamente proporcional a la magnitud de la irradiancia

  23. Efecto de la Temperatura LOS FACTORES SON: del orden de 2.1 mVolt Reducción por cada grado centígrado. : Vca Icc Aumento : del 0.1% de su valor, a temperatura ambiente, por cada grado centígrado.

  24. 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 Efecto del área de la celda 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

  25. MONOCRISTAL, POLICRISTAL SILICIO GRUESOS SILICIO SEMICONDUCTORES AMORFO GaAS DELGADOS MONOCRISTAL, POLICRISTAL CdTe CuInSe2 ¿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, COMOEL SILICIO, ARSENIURO DE GALIOTELURIO DE CADMIO, SELENIURO DECOBRE/INDIO.

  26. 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

  27. Estructuras para Celdas Solares Rejilla colectora Capa antireflectora Colector-Convertidor Capa ventana Capa N Capa P P Absorbedor-Generador Capa absorbedora Contacto metálico trasero N N N P P P I P Metal-Semiconductor Barrera SCHOTTKY HETEROUNIÓN S-I-S HOMOUNIÓN

  28. 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.

  29. Celdas Solares de Silicio

  30. SILICIO AMORFO: Película Delgada

  31. Recubrimiento antireflector 0.1 m m m 150 m m Rejilla - - Terminal ( Terminal ( ) ) 3mm 3mm m m n n 0.5 0.5 m m + + m m 300 300 m m ~ ~ m m p p 200 200 m m m m p p 0.5 0.5 m m + + + + Terminal ( Terminal ( ) ) Contacto metálico (a) (b) Anatomía de una celda solar de silicio monocristalino SUPERFICIE TEXTURIZADA

  32. Tecnología Fotovoltaica Comercial MONOCRISTAL VCA0.74 V JCC 41.6 mA/cm2 PM 24.67 mW/cm2 SILICIO VCA 0.61 V JCC 36.4 mA/cm2 PM 17.25 mW/cm2 VCA 0.8-2.3 V JCC 7.7-19.4 mA/cm2 PM 13.64 mW/cm2 POLICRISTAL AMORFO

  33. TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA COMERCIAL TELURIO DE CADMIO First Solar VCA 0.84 V JCC 26.7 mA/cm2 PM 17.3 mW/cm2 VCA0.84 V JCC 26.7 mA/cm2 SELENIURO DE COBRE-INDIO Siemens Solar Industries VCA 0.669 V JCC 35.7 mA/cm2 PM 18.39 mW/cm2

  34. Tecnología SANYO Heterounión a-Si/x-Si/a-Si Eficiencia record Celdas:23% Modulo: 16.4%

  35. Estado Actual de la Tecnología Fotovoltaica Diseño en homounión Estatus *Silicio monocristalino (gruesa) *Silicio policristalino (gruesa) Disponible comercialmente TIPO DE *Silicio amorfo (película delgada) TECNOLOGÍA Películas delgadas monocristalinas *Arsenuro de Galio (GaAs) Bajo desarrollo Diseño en Heterounión Estatus Películas delgadas policristalinas: TIPO DE *Cobre-Indio-Diselenio Disponibles TECNOLOGÍA *Telenuro de Cadmio comercialmente Diseño de unión múltiple Estatus a-SiC/a-Si a-Si/a-Si TIPO DE a-Si/a-SiGe Bajo Desarrollo TECNOLOGÍA a-Si/poli-Si a-Si/CuInSe 2 GaAs/GaSb Módulos Planos Disponible comercialmente CONFIGURACIÓN DE MÓDULOS Módulos con concentrador Disponible comercialmente

  36. CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO; IRRADIANCIA AM1.5 h TÉCNICA TIPO ORGANIZACIÓN ÁREA 2 DE ELABORACIÓN DECELDA (cm ) (%) 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 Eficiencia de Celdas de Silicio Cristalino

  37. 37 www.cie.unam.mx Gracias sgestec@cie.unam.mx www.cie.unam.mx

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