ENERGÍA FOTOVOLTAICA Dr. Ricardo Guerrero Lemus ENERGÍA FOTOVOLTAICA. Dr. Ricardo Guerrero Lemus

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1 ENERGÍA FOTOVOLTAICA Dr. Ricardo Guerrero Lemus 1

2 DEFINICIÓN: La energía fotovoltaica es energía eléctrica creada mediante la excitación de portadores de carga eléctrica al interaccionar con fotones procedentes del sol. Hay que diferenciar la energía fotovoltaica de la energía solar térmica y de la generación de electricidad solar térmica. 2

3 BREVE INTRODUCCIÓN HISTÓRICA: 1839: Edmund Becquerel, un joven físico experimental francés de 19 años descubre el efecto fotovoltaico mientras experimenta con una célula electroquímica, en la que se genera una corriente eléctrica entre dos electrodos metálicos sumergidos en una disolución conductora cuando ésta es iluminada por el sol. 1873: Willoughby Smith descubre la fotoconductividad del selenio. 1876: Adams y Day observan el efecto fotovoltaico en selenio sólido. 1883: Charles Fritts, un inventor americano, fabrica la primera célula solar formada por dos placas de selenio y un fino electrodo de oro. 1904: Einstein publica su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico. 1941: Russell Ohl inventa la primera célula fotovoltaica de silicio. 1954: Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin diseñan la primara célula de silicio que alcanza un 4.5 % de eficiencia de conversión de radiación en electricidad, pocos meses después un diseño más avanzado alcanza el 6 % (anteriormente las células fotovoltaicas tenían eficiencias inferiores al 1 %). 1958: Hoffman Electronics crea una célula que alcanza el 8% de eficiencia, y es utilizada para alimentar el primer satélite que ha operado con energía solar, el Vanguard I (operó durante 8 años, el precio de producción fue de 200$/Wp, mientras que actualmente alcanza los 2,70$/Wp). 1960: Hoffman Electronics desarrolla una célula que alcanza el 14 % de eficiencia. 3

4 ORBITALES ATÓMICOS BANDAS SEMICONDUCTORAS Interacciones entre átomos. Desdoblamiento de orbitales. Principio de exclusión de Pauli. 4

5 Interacciones básicas electrón-fotón en un átomo: Absorción E 1 + hν 12 = E 2 Emisión espontánea E 2 = hν 12 + E 1 Emisión estimulada (contrario a absorción, coherencia [energía, fase, dirección, polarización]). E 2 + h 12 = E 1 + 2hν 12 5

6 En equilibrio térmico ([E 2 E 1 ] > 3kT): n e ( E E kt e hν kt n 2 1) = = Ritmo emisión estimulada + Ritmo emisión espontánea = Ritmo Absorción Inversión de población 6

7 MATERIALES SEMICONDUCTORES: Cristalinos: predecibles y caros. Multicristalinos: granos cm. Policristalinos: granos microscópicos. Amorfos: enlaces libres hidrógeno. 7

8 MATERIALES DE CÉLULAS SOLARES: Silicio monocristal: c-si. 300 MWp / a Silicio multicristal: mc-si. Silicio amorfo: a-si:h. Silicio en cinta: ribbon Si. Lámina delgada CdInS: CIS. Lámina delgada de CdTe. Células orgánicas. Células de colorante. a-si mono-si 2000 ribbon-si multi-si

9 VENTAJAS DEL SILICIO: Elemento abundante de la corteza terrestre. No es tóxico. Semiconductor elemental. Óxido nativo pasivante. Coeficientes de segregación bajos para muchos metales. Fácilmente dopado tipo-p y tipo-n. Parte sustancial de una industria microelectrónica de $. 9

10 SILICIO MONO- Y MULTICRISTALINO: 10

11 método CZ método FZ 11

12 SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS (p-n) E INTRÍNSECOS: 12

13 PROCESO DE FABRICACIÓN: Malla frontal Lámina antirreflejante n-emisor p-base Contacto trasero 13

14 ANTES DE LA UNIÓN: 14

15 DESPUÉS DE LA UNIÓN: 15

16 UNIÓN POLARIZADA: Corriente de saturación constante. Ecuación característica: i qv kt = i s e 1 i: corriente. i 0 : corriente de saturación. V: diferencia de potencial. q: carga del electrón. k: constante de Boltzman. T: temperatura (K). k T (300 K) = 0,026 ev. 16

17 COMPORTAMIENTO RECTIFICADOR: 17

18 FOTODIODO: Región de carga espacial Longitudes de difusión Eficiencia cuántica del fotodiodo: η = (1 R) ξ 1 [ ] αd e R: reflectancia ξ: eficiencia generación pares e-h. α: coeficiente de absorción 18

19 CONFIGURACIÓN BÁSICA DEL FOTODIODO: 19

20 CARACTERÍSTICA I-V CON LUZ: Ecuación característica: qv kt i = i s e 1 Fotocorriente: i p = q A G ( L e + W + L h ) i p 20

21 Valor del gap fundamental para captar la mayor cantidad de radiación solar Parámetros principales -corriente de cortocircuito I sc = i L -voltaje de circuito abierto: V oc kt i L = ln + 1 q is -factor de llenado: V FF = V mp oc I I mp sc 21

22 Potencia de salida: área del rectángulo. Factor de llenado: grado de cuadratura de la curva I-V en el IV-cuadrante. Factor de idealidad n: i qv nkt = i s e 1 i L Punto de máxima potencia: área máxima. 22

23 Relación empírica (sin resistencias parásitas): voc ln( voc ) Voc FF = ; voc = ; voc voc + 1 nkt q Eficiencia de conversión de energía: > 10 V mp Imp Voc Isc FF η = = P P BP-SOLAR: 17% in in 23

24 EFECTO DE RESISTENCIAS PARÁSITAS: Contribuyen a reducir el factor de llenado. Circuito equivalente: La resistencia serie (R s ) la componen: resistencia volúmica del semiconductor. contactos metálicos e interconexiones. resistencia e contacto entre el metal y el semiconductor. La resistencia de deriva (R sh ) la componen: defectos en la unión e impurezas que la cortocircuitan parcialmente. 24

25 Efecto de la resistencia serie y de la resistencia de deriva sobre el factor de llenado: 25

26 PÉRDIDAS DE EFICIENCIA: Pérdidas ópticas. (1) Bloqueo de la luz por los contactos metálicos superiores. (2) Reflexiones superficiales. 26

27 Formas de reducir las pérdidas ópticas (1): Minimizar el contacto eléctrico superior (aunque aumentaría la resistencia serie). Láminas antirreflejantes de cuarto de onda. 27

28 Formas de reducir las pérdidas ópticas (2): Procesos de texturización superficial. Aumentar la reflectancia de la cara interior trasera de la célula. 28

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