PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE LA CÉLULA SOLAR

Transcripción

1 PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE LA CÉLULA SOLAR

2 CURVA I-V La curva IV de una célula solar ideal es la superposición de la curva IV del diodo con la corriente fotogenerada. La luz tiene el efecto de desplazar la curva IV hacia el cuarto cuadrante en el que puede extraerse potencia del diodo. Relación I-V de una célula solar ideal: donde I L = corriente generada por luz. (El término -1 puede ser despreciado) De la curva IV se extraen importantes parámetros que caracterizan el funcionamiento de las células solares (I sc, V oc, FF y eficiencia).

3 CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO La corriente de cortocircuito es la corriente a través de la célula solar, cuando el voltaje entre sus terminales es cero (es decir, cuando la célula solar está cortocircuitada). Por lo general, escrito como I SC, la corriente de cortocircuito se muestra en la curva IV. La corriente de cortocircuito se debe a la generación y recolección de los portadores de carga generados. Para una célula solar ideal la Corriente de cortocircuito y la generada por luz son idénticas. Por lo tanto, la corriente de cortocircuito es la mayor corriente que puede extraerse de la célula solar.

4 CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO La corriente de cortocircuito depende de una serie de factores: 1. el área de la célula solar. Para eliminar esta dependencia se define la densidad de corriente de cortocircuito (J SC en ma/cm2) en lugar de la corriente de cortocircuito 2. el número de fotones (es decir, la potencia de la fuente de luz incidente). Isc de una célula solar depende directamente de la intensidad de la luz 3. el espectro de la luz incidente. Para la medición de células solares se utiliza el espectro normalizado AM las propiedades ópticas (absorción y reflexión) de la célula solar 5. la probabilidad de generación de carga de la célula solar, que depende principalmente de la pasivación de superficie y el tiempo de vida de los portadores minoritarios en la base.

5 CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO Las células solares de silicio bajo un espectro AM1.5 tienen una corriente I sc teórica máxima de 46 ma/cm 2. células de laboratorio han medido I sc de más de 42 ma/cm 2, y las células solares comerciales tienen I sc de entre ma/cm 2. En un dispositivo ideal cada fotón por encima del gap da un portador de carga en el circuito externo de modo que la mayor I sc es para el más bajo gap.

6 Ejercicio 3.1 Vamos a comprobar la influencia de algunos de los parámetros citados sobre la corriente I sc utilizando PC1D: El gap del semiconductor Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM. Estudiar el efecto del gap simulando un batch donde variemos su energía de 0 a 4eV: Menú Compute Batch ; Habilitar Quick Batch ; Seleccionar parámetro AbsEi1 Introducir From: 0.1, To: 4, No. of steps: 20 ; Output Parameters: BaseIsc. Para que el gap se modifique necesitamos abrir el menu Device Material Optical y activar Model (300K) en la pestaña Intrinsic Absorption. Además vamos a minimizar la resistencia externa que añade el fichero PVCELL.PRM para evitar pérdida de tensión en ella. Para ello, abrir Excitation Circuit y en Base circuit poner una resistencia de 0 ohm-cm2. Correr ahora la simulación. Comprobar que se cumple la dependencia de I sc con la energía del gap en esta célula no ideal. A partir de que valor de energía del gap ya no se aprecia variación en la corriente I sc?

7 Ejercicio 3.2 Comprobaremos ahora como afecta el Espesor de la célula a la corriente I sc (al variar la absorción y la recombinación) utilizando PC1D: Partimos del ejemplo original PVCELL.PRM. Para ello abrir un New File y después abrir PVCELL.PRM desde el directorio original. Estudiar el efecto del espesor de la célula simulando un batch donde variamos el espesor de 10 a 1000 µm : Menú Compute Batch ; Habilitar Quick Batch ; Seleccionar parámetro Thickness Introducir From: 10, To: 1000, No. of steps: 20 ; Output Parameters: BaseIsc. Estimar cual sería el espesor que maximiza la I sc en esta célula particular. Porqué a pesar de aumentar la absorción de luz en la célula con el espesor, la corriente de cortocircuito I sc no continúa aumentando? Cuál de los tipos de gráficas que permite visualizar el programa PC1D puede utilizar para comprobar su respuesta a la pregunta anterior?

8 TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO El voltaje de circuito abierto (Voc) es el voltaje máximo disponible en una célula solar, y ocurre a corriente cero. Voc corresponde a la cantidad de polarización directa de la célula solar debido a la polarización de la unión por la corriente generada por la luz. Se muestra en la curva IV. Una ecuación de Voc se encuentra a partir de la ecuación de la célula solar, haciendo I=0 para dar: Voc depende sobre todo de I o, que puede variar varios Órdenes de magnitud. I o depende de la recombinación. Voc es entonces una medida de la recombinación en el dispositivo. Células de Si monocristalino de alta calidad Voc 730 mv (1sol AM1.5) Células de Si policristalinovoc 600 mv (1sol AM1.5)

9 TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO Voc en función de la banda prohibida de una célula solar con AM 0 y AM 1.5: El incremento de Voc con el gap se debe a la caída de la recombinación. La caída brusca de Voc para gaps muy altos se debe a la baja I SC.

10 FACTOR DE LLENADO El "factor de llenado (FF) es un parámetro que, junto con V oc e I SC, determina la potencia máxima a obtener de una célula solar. En V oc e I SC la potencia de la célula solar es cero. FF es el cociente de la potencia máxima de la célula solar entre el producto de Voc e I SC. Gráficamente, FF es una medida de la "cuadratura de la curva IV de la célula solar.

11 FACTOR DE LLENADO El máximo FF teórico aumenta con el valor de Voc. No es fácil conseguir aumentar Voc utilizando el mismo material, sino que se recurre a otros materiales para aumentarlo. El FF también depende del factor de idealidad o factor n" del diodo. El factor de idealidad es una medida de la calidad de la unión y del tipo de recombinación en una célula solar. Para los mecanismos de recombinación simples, el factor n tiene un valor de 1. Sin embargo, algunos mecanismos de recombinación, sobre todo si son grandes, pueden introducir valores de n=2 o superior. Un alto valor de n no sólo degrada el FF, sino que también suele indicar recombinación alta, y conduce a baja tensión de circuito abierto. En la práctica el FF será menor que el máximo teórico debido a la presencia de pérdidas resistivas parásitas.

12 EFICIENCIA La eficiencia es el parámetro más utilizado para comparar el rendimiento entre células solares. La eficiencia se define como el cociente entre la producción de energía en la célula solar y la energía recibida del sol. Depende del espectro y la intensidad de la luz solar incidente, y de la temperatura de la célula solar. Por lo tanto, las condiciones bajo las cuales se mide la eficiencia debe ser cuidadosamente controladas para comparar el rendimiento entre dispositivos. Uso Terrestre: condiciones AM1.5 con T= 25 C. Uso espacial: condiciones AM0. La eficiencia de una célula solar se determina como la fracción de la energía incidente que se convierte en electricidad y se define como:

13 EFICIENCIA Suele ser más habitual encontrar la eficiencia en tanto por ciento: Esta eficiencia obtenida a partir de las características eléctricas de la célula no debe confundirse con la eficiencia cuántica. La eficiencia cuántica mide la razón entre el nº de portadores extraídos de la célula y el nº de fotones que inciden sobre la célula con una energía (o longitud de onda) dada. Pmax x100(%) Pin

14 Ejercicio 3.3 Vamos a comprobar la influencia del Área de la célula en algunos de los parámetros citados utilizando PC1D: Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM. Estudiar el efecto del área de la célula simulando un batch donde variemos el área de 1 a 100 cm 2 : Menú Compute Batch ; Habilitar Quick Batch ; Seleccionar parámetro Area Introducir From: 1, To: 100, No. of steps: 11 ; Output Parameters: BaseIsc, BaseVoc, BasePmax. Abrir en el menu Graph Copy Batch Data y llevar los datos de la simulación a Excel. Representar I sc, V oc y P maxima frente al área de la célula. Cómo es la dependencia de I sc con el área? Afecta de la misma forma a V oc? Habilite una nueva columna en Excel y calcule la eficiencia de la célula para las áreas estudiadas. Haga otro gráfico donde represente la eficiencia de la célula frente al área de la misma. Aumenta la eficiencia de la célula siempre que aumentamos el área? Porqué?

15 FACTORES QUE CONDICIONAN EL FUNCIONAMIENTO ELÉCTRICO DE LA CÉLULA SOLAR -Efectos resistivos -Efecto de la temperatura -Efecto de la intensidad de luz recibida

16 RESISTENCIA CARACTERÍSTICA La resistencia característica de una célula solar es la resistencia de salida de la célula solar en su punto de máxima potencia: R CH V I MP MP V I OC SC Si la resistencia de la carga es igual a la resistencia característica de la célula solar, entonces la máxima potencia se transfiere a la carga y la célula solar funciona en su punto de máxima potencia.

17 EFECTOS RESISTIVOS PARÁSITOS Efectos resistivos en las células solares reducen la eficiencia de la célula solar mediante la disipación de energía en las resistencias. Las resistencias parasitarias más comunes son la resistencia serie y la resistencia paralela. Su inclusión en el modelo de célula solar se muestra en la figura: El principal efecto de las resistencias parásitas es reducir el FF. Dado que los valores de las resistencias dependen del área de la célula solar, para comparar células diferentes se utilizan unidades Ωcm 2

18 RESISTENCIA SERIE La resistencia serie en una célula solar real se debe a: 1. Paso de la corriente a través del emisor y la base de la célula solar 2. la resistencia de contacto entre el metal y silicio, 3. la resistencia de los contactos de metal frontales y traseros. El principal efecto de la resistencia serie es el de reducir el FF, aunque valores excesivamente altos también pueden reducir I SC. La resistencia serie no afecta al voltaje de circuito abierto de la célula solar. Sin embargo, cerca de V OC, la curva IV está muy influenciada por la resistencia serie. Una forma de estimar la resistencia serie de una célula solar es mediante la pendiente de la curva IV en el punto de tensión en circuito abierto.

19 RESISTENCIA SERIE El efecto de la resistencia en serie en la curva IV se muestra a continuación:

20 RESISTENCIA PARALELO La presencia de una baja resistencia paralela (R SH ) es normalmente debido a defectos de fabricación, en lugar de un mal diseño de la célula solar. Esta resistencia parásita provoca la pérdida de energía en las células solares, proporcionando una ruta alternativa a la corriente generada por la luz. Esta desviación reduce la cantidad de corriente fluyendo a través de la unión de células solares y reduce el voltaje de la célula solar. El efecto de R SH es particularmente grave en los niveles bajos de luz, ya que habrá menos corriente fotogenerada y la pérdida de parte de esta corriente en la derivación tiene un impacto mayor. Una estimación del valor de R SH puede obtenerse de la pendiente de la curva IV cerca del punto de corriente de cortocircuito.

21 RESISTENCIA PARALELO El efecto de una baja resistencia paralelo se muestra en las gráficas:

22 COMBINACIÓN R S & R SH En presencia de ambas resistencias parásitas serie y paralelo, la ecuación característica de la célula solar real es: El diagrama circuital de la célula solar quedaría:

23 Ejercicio 3.4 Efecto de la resistencia serie estudiado con PC1D: Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM. Vamos a modificar la resistencia de los contactos de emisor y base para ver su efecto sobre las curvas IV de la célula solar. Para ello, abrir el menu Device Contacts y hacer las resistencias internas del contacto de emisor y base iguales a 1.e-6 ohm. Simular un batch donde variemos la resistencia del contacto de emisor de 1e-6 a 1ohm : Menú Compute Batch ; Habilitar Quick Batch ; Seleccionar parámetro EmitterR Introducir From: 1e-6, To: 1, No. of steps: 20 ; Output Parameters: BaseIsc, BaseVoc, BasePmax. Abrir en el menu Graph Copy Batch Data y llevar los datos de la simulación a Excel. Calcular el factor de llenado y la eficiencia para cada valor de resistencia de emisor. Generar una gráfica semilogarítmica de la dependencia de FF y la eficiencia con la resistencia. A partir de que valor aproximado de la resistencia de contacto de emisor se produce una pérdida drástica de eficiencia en la célula simulada? Comprobar en PC1D como se ha modificado la forma de la curva IV con pequeños incrementos de la resistencia (visualizar el historial de gráficas Base IV/Power almacenadas por el programa).

24 EFECTOS DE LA TEMPERATURA Como todos los dispositivos semiconductores las células solares son sensibles a la temperatura. Aumento de T reduce el gap del semiconductor afectando a todos los parámetros del material. El parámetro de la célula solar más afectado port esv oc. V oc decrece con la temperatura debido a la dependencia de I o cont. I o se duplica por cada 10ºC de incremento de la temperatura.

25 EFECTOS DE LA TEMPERATURA Efectos medidos en células de Silicio: V oc -2,2mV/ºC

26 Ejercicio 3.5 Efecto de la temperatura estudiado con PC1D: Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM. Simular un batch donde variemos la temperatura de la célula de 295 a 380K: Menú Compute Batch ; Habilitar Quick Batch ; Seleccionar parámetro Temp Introducir From: 295, To: 380, No. of steps: 20 ; Output Parameters: BaseIsc, BaseVoc, BasePmax. Abrir en el menu Graph Copy Batch Data y llevar los datos de la simulación a Excel. Representar I sc, V oc y P maxima frente a la Temperatura. Realizar un ajuste lineal de la curva V oc frente a T y obtener la variación en mv por cada grado Kelvin. Comprobar si coincide con la vista en teoría. Comprobar en PC1D como se ha modificado la forma de la curva IV con pequeños incrementos de la temperatura (visualizar el historial de gráficas Base IV/Power almacenadas por el programa).

27 EFECTO DE LA INTENSIDAD DE LUZ Cambios en la intensidad de luz incidente modifican todos los parámetros vistos de la célula solar (I SC, V oc, FF, eficiencia, etc.) Unidad de medida de intensidad de luz solar: 1sol=1kW/m 2 =100mW/cm 2 Para reducir costes y aumentar eficiencia, se utilizan concentradores, que son células de menor superficie diseñadas para trabajar a intensidades superiores a 1 sol. La ganancia en eficiencia se consigue con el aumento logarítmico de V oc con el grado de concentración, no con el de I SC que viene de la mayor intensidad incidente. Los beneficios de los concentradores pueden reducirse por aumento de pérdidas en la resistencia serie (ya que I SC aumenta) y por elevación de la temperatura de trabajo de la célula. Por el contrario, la baja intensidad de luz maximiza las pérdidas de corriente debidas a una baja resistencia paralelo.

28 EFECTO DE LA INTENSIDAD DE LUZ 1 sol 5 soles 15 soles 25 soles

29 Ejercicio 3.6 Efecto de la intensidad de luz incidente estudiado con PC1D: Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM original. Antes de nada vamos a minimizar la resistencia externa que añade el fichero PVCELL.PRM para evitar pérdidas de tensión en ella. Para ello, abrir Excitation Circuit y en Base circuit poner una resistencia de 0 ohm-cm2. Simular un batch donde variaremos la intensidad de luz incidente en la célula de 1 a 10 soles: Menú Compute Batch ; Habilitar Quick Batch ; Seleccionar parámetro PriInsySS (Primary source steady-state intensity); Introducir From: 0.1, To: 1, No. of steps: 10 ; Seleccionar parámetro PriInsyTR1 (Primary source initial transient intensity) Introducir From: 0.1, To: 1 ; Seleccionar parámetro PriInsyTR2 (Primary source final transient intensity); Introducir From: 0.1, To: 1 ; Output Parameters: BaseIsc, BaseVoc, BasePmax. Abrir en el menu Graph Copy Batch Data y llevar los datos de la simulación a Excel. Representar I sc, V oc y P maxima frente a la intensidad de luz incidente (PriInsySS). Qué parámetro es el más afectado por el cambio de intensidad de luz? Aumentaría la eficiencia de la célula si se incrementa la radiación solar? Habilite una nueva columna en Excel y calcule la eficiencia de la célula para las intensidades de luz estudiadas. Haga otro gráfico donde represente la eficiencia de la célula frente a PriInsySS. Aumenta la eficiencia de la célula siempre que aumentamos la intensidad de luz incidente? Porqué?