Conceptos básicos
Efecto fotovoltaico: conversión de luz en electricidad.
Materia: constituida por átomos
Núcleo: carga eléctrica positiva y neutrones.
Electrones: carga eléctrica negativa. Los electrones de la última capa son electrones de valencia que al unirse con otro forman redes cristalinas.
Tipos de materiales
Conductores: electrones de valencia poco ligados al núcleo.
Semiconductores: electrones de valencia más ligados al núcleo.
Aislantes: configuración muy estable.
Los materiales usados en las celdas solares son los semiconductores.
Celdas solares
Transforman directamente la energía solar en energía eléctrica.
Energía resultante de reacciones nucleares de fusión.
Estructura semiconductores
Materiales: Si, Ge, P, As.
Estructura del Si:
segundo elemento del planeta más abundante.
14 electrones y 14 protones, 4e- de valencia.
se presenta en la naturaleza de dos formas distintas, una amorfa y otra cristalizada
Semiconductor “tipo I”
Celda elemental de Si:
se unen 5 átomos del material, enlace covalente.
no hay electrones libres, por lo cual se denomina conductor intrínseco o “tipo I”.
Semiconductor “tipo N”
Si incorporamos una impureza, P (5 electrones de valencia) habrá un electrón libre.
El material tendrá exceso de cargas negativas.
Semiconductor “tipo P”
Si incorporamos B (3 electrones de valencia) aparecerá un hueco.
No se produce enlace covalente y hay exceso de cargas positivas.
Unión “NP”
Unión de material “tipo N” y “tipo P”.
Los electrones sobrantes del material N pasan hacia el material P y los “huecos” del material P pasan al material N.
Cuando la luz incide sobre el semiconductor, se liberan electrones del átomo de Si, se rompe el equilibrio de la unión NP y se producen los denominados par “electrón-hueco”.
Se genera un campo eléctrico que al conectar una carga externa entre ambas zonas, genera la corriente eléctrica.
Para el Si, se pueden obtener potenciales de aproximadamente 550mV.
Tipos de celdas de Si
Monocristalinas:
estructura atómica muy ordenada.
rendimiento entre el 15% y el 18%.
difícil construcción, alto precio.
Policristalinas:
estructura atómica no tan ordenada como en el monocristalino.
rendimiento entre el 12% y el 15% .
Amorfas:
estructura atómica bastante desordenada.
rendimiento es inferior al 10%.
fabricación sencilla, más barato.
Elementos de una celda solar de Si
Un contacto superior en la zona del material “tipo N”.
Dos semiconductores “tipo N” y “tipo P”.
Un contacto inferior en la zona del material “tipo P”.
Características de las celdas solares
Características I-V
Voltaje de circuito abierto VOC
Corriente de cortocircuito ISC
Potencia Máxima (rectángulo)
Factor de llenado (fill factor) : cociente entre el rectángulo de máxima potencia y el rectángulo inscrito entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de corto circuito. Esta medida nos da una idea de la calidad de la celda
Eficiencia celdas solares
Definición :Relación entre la potencia eléctrica generada por unidad de área (W/m2) y la irradiación solar incidente (W/m2) para obtenerla
Máximas eficiencias teóricas para las celdas solares para diversos materiales (J.J. Loferski 1963)
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Silicio monocristalino:estructura cristalina uniforme
Silicio policristalino:estructuras ubicadas arbitrariamente. Estos “granos” hacen que la estructura no sea uniforme y se obtenga una eficiencia menor
Silicio amorfo:presenta todavía bajos niveles de eficiencias
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
El Silicio se obtiene a partir de elementos como arena o cuarzo
Se presentan en la naturaleza con altos grados de impurezas, por este motivo es necesario procesarlos
Obtenemos un Silicio con propiedades de semiconductor y así lograr celdas de alta eficiencia
el Silicio es el segundo elemento más abundante en la superficie terrestre, luego del oxígeno.
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Producción de Silicio Policristalino
Proceso
Consiste en llevar los granos de cuarzita a temperaturas sumamente elevadas, agregando carbón para eliminar el oxigeno presente en la cuarzita y producir una sustancia gris metálica brillante de una pureza de aproximadamente 99%.
Para llegar a purezas de 99,9999%, la sustancia obtenida es depurada mediante un proceso similar al utilizado en las refinerías de petróleo, llamado destilación fraccionada
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Producción de Silicio Monocristalino
Proceso
Método de crecimiento de Czochralski (CZ)
El Silicio Policristalino se funde en un crisol a temperaturas cercanas a 1.410ºC,
Se intriduce una “semilla” de Silicio Monocristalino,
Se retira lentamente (10cm/hora) haciendo crecer un lingote cilíndrico de material Monocristalino
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Método Flotante (FZ)
Se coloca una “semilla” Monocristalina sobre una barra de Silicio Policristalino
Luego gracias a una bobina que induce un campo eléctrico, la barra se calienta y se funde con la semilla
Al desplazarse completamente por la bobina permite la obtención del lingote de Silicio Monocristalino
Este lingote es más puro que el producido con el método CZ
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Producción de obleas
Una vez obtenido el cilindro de Silicio Monocristalino, se procede a cortar las obleas o wafers con espesor aproximado de 300um
Para realizar esta operación se utiliza una sierra con multifilamentos, la cual al cortar las obleas produce partículas de Silicio
Se pierde casi un 20% de material
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Producción de obleas
Las obleas son dopadas con átomos de Fósforo en un horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para obtener la capa N
El substrato tipo P se logra, antes de obtener los lingotes, dopando el Silicio con átomos de Boro, para luego cortar las obleas que serán utilizadas como material tipo P en las celdas
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Película antirreflectante
Consiste en una tratamiento o texturizado que se le da al Silicio para disminuir el índice de reflexión
Estructura piramidal, que aumenta la absorción de la luz incidente, gracias a reflexión múltiple de ésta
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Contactos
Superior : Debe construirse con unidades lo bastante gruesas, para transportar la corriente eléctrica y lo bastante finas, para no obstaculizar el paso de la luz solar
Inferior : material conductor simple (aluminio)
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Celdas de Arseniuro de Galio (GaAs)
Eficiencias mayores a las de Silicio.
Algunos fabricantes, como Spectrolab, han construido celdas con multijunturas, superponiendo junturas específicas para un determinado espectro de la luz solar y así aprovechar totalmente el espectro
Fabricación de módulos
Fragilidad
Condiciones atmosféricas
Deben ser empaquetadas en un módulo
Los módulos se utilizan para cargar baterías
Son fabricados para entregar un voltaje nominal de 12Vdc.
Este voltaje se alcanza conectado 36 celdas en serie.
Fabricación de módulos
La celda es colocada en un encapsulante (EVA)
Parte superior: vidrio templado
Parte inferior: substrato a base de resina
El modulo se trata a temperaturas de 175ºC y presión uniforme.
Se sella y se ajusta a un marco de aluminio ionizado.
Fabricación de módulos. Caracterización
N celdas en serie o en paralelo, la potencia total de salida es
WP = N · (IP · VP)
IP = corriente peak de la celda
VP = voltaje peak de la celda
Fabricación de módulos. Factores que afectan al rendimiento
Radiación solar : bajos niveles / altos niveles de voltaje de salida
Concentrador estático : Encapsulado que aumenta el rendimiento.
Temperatura de operación : Un aumento de esta hace que la corriente aumente pero el voltaje disminuya
Sombra : Disipa la energía
Una celda sombreada afecta al módulo completo.
Solución : diodos “bypass”
Fabricación de módulos. Concentradores estáticos
Prismático simple SPC (Simple Prism Concentrador)
Ganancia = 1,75.
Célula solar bifacial vertical
Ganancia = 3,5
Poca utilidad práctica
Célula solar bifacial horizontal
Ganancia = 3,8
Concentrador Estático de Material Transparente Reflexivo
Ganancia = 15%
Silicio negro
Entre 100 y 500 veces más sensible a la luz del sol.
Obtención: haciendo brillar brevemente un láser sobre una lámina de silicio a la que han agregado hexafluoruro de azufre.
Paneles solares de gran eficiencia.
Óxido de Titanio
Técnica que no emplea el silicio purificado sino que esta basada en nanoestructuras de óxido de titanio.
Al ser nanoestructuras son introducidas en sprays.
Buena respuesta ante intensidades lumínicas variables y una tasa de conversión de energía lumínica en electricidad estimada en el 11%.
Transforma amplias superficies de acero en superficies captadoras de energía solar, lo que abaratara en gran medida el coste por KW.