OBTENCIÓN DE AGUA DULCE MEDIANTE CONDENSACIÓN DE LA HUMEDAD AMBIENTE PARA LA DEPRESIÓN DE DANAKIL

Transcripción

1 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) PROYECTO FIN DE CARRERA OBTENCIÓN DE AGUA DULCE MEDIANTE CONDENSACIÓN DE LA HUMEDAD AMBIENTE PARA LA DEPRESIÓN DE DANAKIL AUTOR: GONZALO REVENGA GÓMEZ MADRID, Septiembre 2005.

2 Memoria OBJETO DEL PROYECTO Necesidades de agua de emergencia o en ciertas regiones las cuales están azotadas por grandes sequías, por ejemplo desiertos o ciertas depresiones, es interesante el estudio del recurso hidráulico que nos proporciona la condensación del agua contenida en el aire ambiente. Cabe destacar que el aire no es un recurso que ofrezca unos grandes caudales de agua, pero para situaciones de emergencia en pequeñas poblaciones aisladas y en ciertas poblaciones las cuales no disponen de un recurso hidráulico permanente y asegurado, por ejemplo pueblos nómadas que se desplazan de un pozo a otro a través de grandes distancias, como ocurre en zonas desérticas de África, las elevadas temperaturas diurnas junto con humedades relativas medias, dan lugar a humedades absolutas considerables, lo que hace que el aire se presente como un recurso interesante desde el punto de vista de la obtención de agua. Cabe destacar que la realización de este proyecto está inspirada en la demanda de agua potable que requiere el pueblo AFAR en la región del DANAKIL (depresión situada entre etiopia, eritrea y djbouti, cuya altitud media ronda los 100 m bajo el nivel del mar). Pero dicha tecnología se podría utilizar en muchas otras regiones de nuestro planeta A través del presente proyecto se pretende el estudio de diferentes tecnologías, todas ellas articuladas en torno a la obtención de agua por condensación de la humedad ambiente, y cuya primaria de energía sea la energía térmica y la energía solar fotovoltaica. La tecnología que será usada dependerá tanto de aspectos de

3 Memoria 2 rendimiento energético de la instalación, fiabilidad, la mano de obra no especializada para su operación y funcionamiento, los recursos disponibles por dicha mano de obra, su situación de funcionamiento y puesta en marcha, como del lugar de operación y las capacidades de transporte que son requeridas para su uso. Dicha tecnología será elegida entre las siguientes posibilidades no excluyendo alguna otra forma que se vea viable en el transcurso de la realización del mismo: Se comprimirá, accionando dicho compresor mediante la energía solar obtenida, una masa de aire enfriándose en un intercambiador, para luego expandirse en la válvula, con lo cual la temperatura de salida de dicho aire será utilizada para enfriar un condensador, con el que se hará precipitar la humedad ambiente. Otro punto en el que se condensa la humedad ambiente del aire, es a la salida de la válvula, ya que en este punto se ha producido un descenso de la temperatura por debajo de la temperatura de rocío del aire ambiente, con lo cual precipita la humedad ambiente. Por empleo de células peltier. Dicho sistema produce un bombeo de calor de una parte de la célula hacia la otra parte. Debido a este bombeo, se genera en una cara de la célula un foco frío, aprovechando todas las caras frías de dichas células, se consigue una pared fría, donde se condensa la humedad ambiente. Cabe destacar la robustez de dicho sistema por no disponer de partes con movimiento relativo entre si. Utilizando el foco frío de un ciclo de refrigeración por absorción. La gran ventaja de este sistema es la forma en la que se introduce trabajo al sistema. En los ciclos convencionales de refrigeración el trabajo requerido es el necesario para

4 Memoria 3 accionar el compresor, pero en los ciclos de refrigeración por absorción el principal trabajo es el trabajo del separador, el cual se introduce en forma de calor, por lo que se puede utilizar paneles solares térmicos, los cuales poseen un mayor rendimiento que los fotovoltaicos, como fuente de energía.

5 Memoria ESTADO DEL ARTE El estado del arte de este proyecto va a centrarse por una parte en las tecnologías que son utilizadas para la producción de energía, es decir, los paneles solares fotovoltaicos, para lo cual se introducirán unas nociones de cinemática solar, y por otra parte en las tecnologías para la obtención de frío como son las células Peltier y los ciclos de absorción CINEMÁTICA SOLAR. ESTUDIO DE SOMBRAS EL SOL Desde un punto de vista físico, el Sol es una esfera gaseosa de diámetro aproximadamente 1, km, en cuyo interior existe un proceso de fusión nuclear en el que fusionan aproximadamente unas toneladas de hidrógeno por segundo. La energía es liberada en su interior a una temperatura de K, al pasar del núcleo a la capa superior hay un enfriamiento progresivo hasta llegar a la fotosfera donde se emite la mayor parte de la radiación solar a unos 5700 K aproximadamente. De esta forma, la cantidad de energía que se recibe del Sol anualmente se estima en 1, kwh. El problema radica en como convertir esta energía para poder aprovecharla, la tecnología actual va dirigida en dos direcciones: conversión térmica y conversión eléctrica.

6 Memoria TEMPERATURA EFECTIVA Estudiando el espectro solar que llega a la tierra fuera de la atmósfera, podemos asimilarlo al espectro de radiación de un cuerpo negro calentado a 5762 K. Comparación de las fracciones de energía correspondientes a cada intervalo: Ultravioleta Visible Infrarrojo Longitud de Onda (µm) 0,0 0,38 0,38 0,78 0,78 Sol 0,07 0,47 0,45 Cuerpo negro a 5762 K 0,09 0,46 0,45 En el siguiente diagrama se pueden observar los espectros de la radiación solar extraterrestre y a nivel del suelo: LA CONSTANTE SOLAR La energía que llega a la tierra medida en una superficie normal a la radiación y fuera de la atmósfera varía entre 1310 y 1400 W/m 2. El valor medio de este parámetro es la constante solar: I CS = 1353 W/m 2.

7 Memoria 6 expresión: Se puede aproximar la variación diaria de este valor mediante la siguiente I S = I CS 360. N cos 365 donde N = número del día del año. En el siguiente gráfico vemos la variación de la radiación solar extraterrestre a lo largo del año: Sería de gran ayuda considerar el Sol como un foco puntual emisor. Al ser la distancia media anual Sol-Tierra de 1, km, la radiación que incide en un punto de la superficie terrestre estaría contenida en un cono cuyo vértice sería dicho punto y que contendría al Sol en un ángulo de 32º. De esta forma, la radiación incidente sobre este punto seguirá todas las direcciones descritas por el cono, pero este ángulo de divergencia será insignificante en estudios de soleamiento y en los fenómenos de absorción de radiación. Por lo tanto, podemos considerar que la radiación solar directa es homogénea y de haz paralelo, y asemejarla a la que recibiríamos de un foco puntual radiante en el infinito, de la misma intensidad y espectro de emisión que el sol.

8 Memoria MOVIMIENTOS RELATIVOS SOL-TIERRA Se pueden descomponer los movimientos de la Tierra en dos: - movimiento de rotación sobre su propio eje - movimiento de translación alrededor del Sol. En el movimiento de translación se describe una elipse, en uno de cuyos focos se encuentra el Sol, con una velocidad inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a éste. Por tanto, la distancia Sol-Tierra es de 1, km + / - 1,7 %. Movimiento relativo Sol-Tierra: En esta figura observamos como incide la radiación solar sobre el trópico de cáncer, el mediodía del 21 de junio incide perpendicularmente y el 21 de diciembre incide con un ángulo de υ = 2.δ max º = 46º54. Variando el resto del año entre estos valores.

9 Memoria DECLINACIÓN El plano del ecuador guarda la misma dirección a lo largo del año, manteniendo una inclinación de 23º27 sobre el plano de la órbita terrestre. La declinación solar, el ángulo entre la dirección del Sol con el plano del ecuador varía entre 23º27 en el solsticio de verano a -23º27 en el solsticio de invierno. La siguiente expresión da una declinación solar aproximada a lo largo del año: donde N = número del año N δ = 23,45. sen En la siguiente figura (en la que n=1 es el 21 de marzo) se aprecia la situación en los solsticios de verano y de invierno ÁNGULO HORARIO El ángulo horario mide la distancia en grados entre el meridiano de la tierra que contiene al sol y el que contiene al lugar en estudio. Aceptando que la velocidad de giro de la tierra es uniforme podemos dividir los 360º entre 24 horas, por lo tanto,

10 Memoria 9 a cada hora le corresponden 15º. Por lo tanto, el ángulo horario vendrá dado por la siguiente expresión: w 15 o = h n., donde h n es el número de horas DETERMINACIÓN DE LA POSICIÓN DEL SOL Para poder determinar la posición del Sol utilizaremos el sistema de coordenadas que consiste en considerar al observador como centro de una esfera para que el Sol proyectado en ella se pueda considerar como puntual. La posición del observador estará referida a las coordenadas geográficas terrestres y el plano de referencia, el horizonte, está definido por los puntos cardinales (N, S, E, O). El eje de la esfera celeste coincide con el eje de la Tierra, también coinciden los planos del ecuador y los meridianos. Altura Solar: h La distancia angulas desde el plano del horizonte hasta la posición del Sol sobre el plano del horizonte. Acimut: z La distancia angular entre el meridiano que contiene al Sol y el eje sur visto desde la posición del observador. Podemos relacionar estos parámetros mediante la siguiente expresión: senh = senl. senδ + cos L.cos w. cosδ Altura de culminación: h c

11 Memoria 10 La altura de culminación es la máxima que alcanza el Sol en el mediodía. h C = 90 L ( δ ) Duración del día: T d El número de horas de sol, lo determinamos a partir de las horas de salida y puesta del Sol, momentos n los que la altura solar será h=0. ( tg tgl) T d = 2 15.arccos δ. Cartas cilíndricas: Para la zona de Madrid, la carta cilíndrica sería la siguiente:

12 Memoria 11 Ángulo de incidencia: υ. El ángulo de incidencia es aquel que forma la normal en ese punto a la superficie considerada y la dirección de la radiación solar. La radiación que le llega a la dicha superficie será homogénea y dependerá de dicho ángulo. Irradancia. La cantidad de energía que incide en una superficie normal a la radiación solar por unidad de tiempo es la intensidad instantánea de radiación por unidad de superficie (I 1 ). El contorno de esta superficie describe un tubo de flujo que será constante para cada instante. En el esquema anterior se aprecia que la siguiente expresión se cumple: I 1. S1 = I i. S i El parámetro I i que mide el flujo de radiación que le llega a una superficie por unidad de área se le denomina irradancia (unidades de energía x tiempo -1 x superficie -1 ): I i = I 1.cosθ

13 Memoria 12 Dirección de la Radiación Directa. Tomando como referencia el plano del horizonte del observador en una latitud L, el ángulo de incidencia coincide con el ángulo complementario a la altura solar: cosθ = cosh = senl. senδ + cos L.cosδ. cos w Considerando un plano inclinado un cierto ángulo β, el ángulo de incidencia υ β de la radiación sobre él, sería el equivalente al plano del horizonte de un observador situado en una latitud (L - β). Por lo tanto, la expresión queda de la siguiente forma: cos θ β = sen ( L β ). senδ + cos( L β ).cos w. cosδ Esta situación se ve más claramente en la siguiente figura: Por último, la dirección de la radiación solar directa, relativa a cualquier plano inclinado un ángulo β, (giro sobre el eje E-O) y orientado un ángulo g, (giro sobre el eje N-S), viene dado por la expresión:

14 Memoria 13 cos, = senδ. senl.cos β senδ.cos L. senβ. cos g θ β g + cosδ.cos L.cosβ.cosw + cosδ. senl. senβ.cosw.cos g + cosδ. senβ. seng. senw donde: δ: declinación L: latitud del lugar w: ángulo horario β: inclinación de la superficie g: orientación de la superficie.

15 Memoria PANELES FOTOVOLTÁICOS INTRODUCCIÓN Y BREVE RESEÑA HISTÓRICA La energía solar es aquella energía radiante emitida por el sol y recibida por la tierra en forma de ondas electromagnéticas. La tierra del conjunto de energía que emite el sol, intercepta 1.7x10 14 kw. Una de las formas para el aprovechamiento de dicha energía que será estudiada en lo que sigue es la conversión fotoeléctrica. El efecto fotoeléctrico fue en primer lugar descubierto por el físico francés Edmundo Bequerel, en 1839, al observar que ciertos materiales, en su caso células electrolíticas, al ser expuestos a la luz producían ciertas cantidades de corriente. Más tarde, en 1877, esta misma propiedad fue observada en sólidos por Adams y Day. En 1883 Fritts describió la primera célula solar. Unos años más tarde, en 1905, el físico de origen alemán Albert Einstein, describió dicho efecto como el efecto fotoeléctrico (es el proceso por el cual los fotones de la radiación inciden sobre un material y liberan electrones.). Durante las décadas de los 30 y los 40 se realizó una gran actividad investigadora con Ge, y a partir de 1941, donde fue descubierto el efecto fotoeléctrico en el Si, también con el silicio. Gracias al desarrollo de la tecnología de difusión en 1954 Pearson, Fuller y Chapin desarrollaron la primera célula de Si con una eficiencia del 6%. Ya en 1958 se consiguieron eficiencias de alrededor del 14%, o que indica una gran mejora en pocos años. Esto fue debido a que dicho esfuerzo estaba encaminado a la adaptación de dichos dispositivos como generadores en satélites. El primer satélite dotado de esta tecnología es un satélite soviético lanzado al espacio en 1958, seguido unos meses

16 Memoria 15 después por un satélite americano, el Vanguard I. En el año 1954 también fueron descubiertos nuevos materiales como el Cu-CdS 5 y una película de CdS en contacto con aluminio y oro. Por lo tanto se puede considerar dicho año, el 1954 como el año en el que nacieron tanto las células de película delgada como las células de Si. A partir de este momento se desarrollaron rápidamente las células de Si, aunque las células de película delgada tenían ciertas características como su flexibilidad, que las hacia muy interesantes. Cabe destacar pocas innovaciones hasta 1973, los avances más importantes son la obtención de rendimientos del 13% en células de GaAs (Arseniuro de galio), la aparición de las primeras células de CdTe (Teluro de cadmio) y las primeras células de CdS depositadas por aerosol, con eficiencias del 7%. Ambos tipor CdTe y CdS dominaron hasta mediados de los 70 el panorama de las células de película delgada. Un punto de inflexión fue experimentado por todas las energías no fósiles en el año 1973 debido a la crisis del petróleo de ese mismo año. En ese mismo año Lindmayer inventó la celda violeta de alta eficiencia, un 15%, y comenzaron a vislumbrarse posibilidades más reales para que los paneles solares pudieran entrar en el mercado de las aplicaciones terrestres. En ese mismo año fueron fundadas las primeras compañías fabricantes de células solares. Las células de película delgada atrajeron la atención por sus características de bajo peso y flexibilidad, a pesar de su baja eficiencia y problemas de estabilidad, alcanzando en células de CdS-Cu 2 S eficiencias del 10%. En 1975 se obtuvo la primera célula de CuInSe 2 con una eficiencia del 12% y en el siguiente año la primera

17 Memoria 16 célula de película delgada de este material. En este mismo año aparece el silicio amorfo como material para la fabricación de células, que aun siendo menos eficiente que el silicio monocristalino o el policristalino, es mucho más barato su proceso de fabricación.

18 Memoria FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LAS CÉLULAS SOLARES Como ya fue indicado la energía solar que llega a la tierra puede ser aprovechada a través del efecto fotovoltaico. Para poder utilizar dicho efecto se utilizan las células solares. Dichas células convierten la energía proveniente del sol directamente en energía eléctrica. Como la potencia, en un sistema eléctrico de corriente continua es igual a P = U I, se va a explicar como se generan tanto la U como la I. Y a su vez I es el resultado de cargas en movimiento, por lo que será necesario comprender como se generan estas cargas y como se mueven en una determinada dirección. Estas cargas ya se encuentran en el material utilizado para la fabricación de células, semiconductores, bajo la acción de la luz, estas cargas se vuelven libres y se forma una corriente por el campo eléctrico creado en la celda ESTRUCTURA DE BANDA DE LOS SEMICONDUCTORES Los semiconductores son materiales cuya resistividad eléctrica está en torno a 10-4 y W/cm mientras que la resistividad de los metales varía entre 10-4 y 10-6 W/cm. Ejemplos de este material son el Si, Ge, P, As, o compuestos químicos como CuAlS 2 o el CuInS 2. A muy bajas temperaturas estos materiales pueden comportarse como aislantes, mientras que a altas temperaturas estos materiales pueden comportarse como metales.

19 Memoria 18 Se va a estudiar el caso del Si debido a que es el material que a dia de hoy está más extendido a la hora de la fabricación de células fotovoltaicas. Se va a partir de la estructura electrónica de este semiconductor, la cual es: Si (14) (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ) De los 14 electrones que posee, los 10 primeros están fuertemente ligados al núcleo, mientras que los 4 exteriores, llamados electrones de valencia, están ligados menos fuertemente y poseen una capacidad mayor de interactuar con los demás elementos, estos electrones son los que juegan el papel más importante en el efecto fotoeléctrico. A la hora de formar un cristal de silicio, un gran número de átomos de Si se enlazan mediante sus electrones de valencia (enlace covalente). En el sólido cristalino, cada átomo de Si comparte con los átomos adyacentes uno de sus 4 electrones de valencia en un enlace covalente con 4 de sus átomos adyacentes. El sólido consiste en unidades de 5 átomos, el átomo original, más otros 4 con los cuales comparte 1 electrón y de este modo se encuentra completo. Los enlaces se encuentran por tanto saturados, como se puede observar en la siguiente figura (Fig. 1)

20 Memoria 19 En este caso, no hay electrones libres y si a bajas temperaturas se aplica un campo eléctrico al cristal de Si, la conductividad es cero (no hay corriente eléctrica). A temperatura ambiente, la conductividad no es cero ya que por efecto térmico se rompen enlaces que dejan electrones libres y huecos, que contribuyen a la conductividad del material. En este caso, el número de huecos es igual al número de electrones libres y se habla de un semiconductor intrínseco o "tipo i". En el caso anterior se ha considerado Si cristalino puro. Si se introduce una impureza (un átomo diferente de los que conforman la red cristalina de Si), como por ejemplo As o P, con 5 electrones de valencia, 4 de ellos se emplearán en los enlaces con los átomos vecinos de Si y uno quedará débilmente ligado. Este electrón de valencia "libre" se comporta como un electrón de la banda de conducción del cristal. Puesto que hay un electrón donado por cada átomo de impureza, se habla entonces de semiconductores donadores o "tipo n" (Fig. 2).

21 Memoria 20 De la misma manera, si se introduce un átomo de Al o B, que tienen 3 electrones de valencia, faltará un electrón para saturar un enlace covalente con un Si vecino. Este "hueco" se comporta como una carga positiva y es relativamente libre de moverse por el cristal. El semiconductor se denomina "tipo p" (Fig. 3). En los átomos libres, los electrones ocupan niveles discretos de energía. Al formarse el sólido, la densidad de átomos es del orden de átomos/cm 3 y los átomos se aproximan entre sí. Debido a la proximidad, los niveles discretos de

22 Memoria 21 energía de los átomos individuales se superponen formando zonas en donde los niveles están tan próximos que forman un continuum o banda. La figura 4 muestra la estructura de bandas de energía de tres semiconductores. En este diagrama de niveles de energía se observan tres bandas: la banda de valencia cuyo borde superior es E v, la banda prohibida entre E v y E e, y la banda de conducción entre E e y E vac. La banda prohibida se denomina así porque los electrones no pueden tener energías dentro de los valores de la banda. Los electrones de la banda de valencia pueden hacer transiciones a la banda de conducción y viceversa. El ancho de la banda prohibida Eg depende del semiconductor.

23 Memoria 22 En la Fig.4 se observa también el nivel de Fermi, E f, que es la energía a la cual la probabilidad de ocupación de estados es de 1/2. En un semiconductor tipo i, E r se encuentra en la mitad de la banda prohibida mientras que en uno tipo n se ha desplazado hacia el borde inferior de la banda de conducción, debido a que los electrones donados están débilmente ligados y por consiguiente, la energía necesaria para llevarlos a la banda de conducción es más pequeña que E g. Por el contrario, en un semiconductor tipo p, E r está desplazado hacia E v. En el caso en que dos semiconductores tipo p y n estén en contacto y en equilibrio térmico, E r es igual para ambos semiconductores puesto que E r corresponde a la energía libre por electrón y esta debe ser igual en ambos semiconductores. Unión p-n

24 Memoria 23 La teoría de bandas explica la conductividad eléctrica de diferentes tipos de materiales. En los semiconductores a temperaturas de 0K, todos los electrones se encuentran en la banda de valencia y por ésta razón no hay conductividad. Esta aumenta a medida que aumenta la temperatura. La razón para ello es la presencia de electrones en la banda de conducción, todos excitados por efecto térmico. La conductividad eléctrica de un semiconductor puede aumentarse por acción de la luz, como se verá a continuación INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA La radiación proveniente del sol tiene una distribución espectral como se da en la Fig. 5. Puesto que la energía de los fotones que componen la luz y la longitud de onda de la luz, están relacionadas por la ecuación E = h c/a (h: constante de Planck = J.s; c= velocidad de la luz = m/s), su energía está dada por E = 1.24(µm/A) ev.

25 Memoria 24 Los fotones más energéticos corresponden a las menores longitudes de onda (UV: Ultra violeta y color violeta) y los menos energéticos al infrarrojo y en el visible, al rojo. Cuando un fotón interactúa con un cristal, por ejemplo Si-i, hay una cierta probabilidad de que sea absorbido por un electrón de la banda de valencia. Si la energía absorbida por el electrón es superior a E g, el electrón salta a la banda de conducción convirtiéndose en un electrón de conducción y dejando en la banda de valencia un "hueco".se produce entonces un par electrón hueco. Los electrones excitados pierden rápidamente su energía en interacción con la red del sólido mediante la emisión de fotones (termalización), decayendo a la base de la banda de conducción. En la base de la banda de conducción, el electrón es capaz de difundirse en el sólido a distancias del orden de 10 mm. La longitud de difusión depende de varios factores, como son la clase de semiconductor, pureza química y grado de cristalinidad. De la base de la banda de conducción, los electrones regresan a la banda de valencia mediante la emisión de un fotón, si antes no son por ejemplo, recolectados y conducidos a un circuito externo. Este efecto de recombinación debe ser reducido en la celda solar porque reduce la corriente y la eficiencia de la misma. Se puede observar en la figura 6, los procesos elementales de un sólido al recibir un haz de luz.

26 Memoria 25 De acuerdo a lo anterior, es importante observar entonces que la conductividad del material aumenta por efecto de la absorción de radiación de longitud de onda adecuada (efecto de fotoconductividad). De esta manera se liberan por efecto de la luz los electrones con los cuales se puede generar una corriente. Existe por consiguiente una longitud de onda crítica por debajo de la cual la energía de los fotones no alcanza a producir excitación de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Para el Si con un E g de 1.14 ev (Tab. 1), se tiene una longitud de onda crítica de 1.09 mm. Fotones con energías inferiores a 1.14 ev absorbidos por el material, se transforman en calor aumentando su temperatura. Esto quiere decir que tanto la luz visible como el infrarrojo cercano excitan en este material los electrones de la banda de valencia a la de conducción.

27 Memoria UNIONES PN Cuando con dos materiales p y n se produce una juntura pn, los electrones que se encuentran en exceso en el semiconductor n migran hacia el semiconductor p y los huecos del semiconductor p al semiconductor n. De esta manera, se establece un campo eléctrico en la interfase de la juntura (Fig.7).Este campo eléctrico en la juntura es el responsable de establecer la corriente eléctrica a partir de los electrones que en su difusión en el sólido alcanzan la región de la juntura donde se encuentra el campo eléctrico. El potencial asociado depende de la concentración de impurezas y de portadores intrínsecos. Para Si, con niveles de impurezas de /cm 3 tanto en el n como en el p, se tienen potenciales de 550 mv.

28 Memoria 27 Mediante la absorción de fotones, se forman pares electrón-hueco tanto en el semiconductor tipo p como en el n. Debido a la difusión, los portadores de carga minoritarios en cada semiconductor alcanzan la juntura, en donde el campo eléctrico existente se encarga de desplazarlos a la región donde estos electrones y huecos son portadores de carga mayoritarios: la región p se carga positivamente mientras la n negativamente, dando lugar a una fuerza electromotriz y en un circuito exterior acoplado, a una corriente. De esta manera se tiene el efecto fotovoltaico, fundamento de las celdas solares. La Fig. 8 muestra la estructura de bandas de energía para una juntura pn, los procesos que producen el efecto fotovoltaico y los mecanismos de pérdidas. Hay sin embargo dos mecanismos de pérdidas inherentes que limitan la conversión de energía solar en electricidad: el exceso de energía de los fotones que se transforma en calor por la termalización de los electrones y los fotones que no son absorbidos por el material, por poseer energía inferior al ancho de banda.

29 Memoria 28 Puesto que en este caso se tiene el mismo material base para los semiconductores n y p, se habla entonces de homojunturas pn. Otros tipos de dispositivos que se pueden emplear para la recolección de estos electrones son las heterojunturas pn, las junturas pin (i: material semiconductor intrínseco entre los dos materiales p y n), las barreras Schottky y las junturas MIS (Metal Insulator -Semiconductor: Metal-Aislante-Semiconductor). Las heterojunturas aprovechan mejor el espectro solar mientras que las Schottky y MIS disminuyen las pérdidas por recombinación superficial HETEROJUNTURAS La heterojunturas, por tratarse de dos materiales diferentes, permiten aprovechar mejor el espectro solar. La luz incidente debe ser absorbida en la vecindad

30 Memoria 29 de la zona de la juntura. La Fig.3.9 muestra el diagrama de bandas de una heterojuntura, en la cual se tiene un dispositivo con "ventana" -"absorbedor". La luz comienza a absorberse directamente en la juntura si el ancho de banda del semiconductor n (ventana) es suficientemente grande. Por tratarse de materiales diferentes, ellos deben tener varias características físicas comparables para que ajusten (similares constantes de red, coeficientes de expansión térmica y afinidad electrónica) y para reducir las pérdidas de voltaje. También es conveniente introducir capas intermedias (junturas pn, n+n) para compensar las diferencias entre la ventana y el absorbedor. Celdas de este tipo son las CIS (CuInSe 2 ),CIGS -Cu(In,Ga)Se 2-.

31 Memoria ELEMENTOS DE UNA CELDA DE SI-C Desde el punto de vista comercial y del desarrollo del mercado, las celdas más importantes de acuerdo a la estructura cristalina son las de Si-c y Si-m (homojunturas de Si; c: cristalino, m: multicristalino). Los elementos esenciales de una celda típica de Si-c son: Un contacto-ventana superior que permite la recolección de cargas negativas y la transmisión de una fracción de la radiación solar, los semiconductores tipo n y p, y el contacto inferior colector de cargas positivas (Fig. 10). Puesto que en la dirección de la radiación se encuentra primero el n y luego el p, esta configuración es np(anteriormente las celdas comerciales de Si eran pn). El diagrama de bandas muestra el comportamiento de electrones y huecos en la juntura.

32 Memoria CARACTERISTICAS DE LAS CELDAS SOLARES CARACTERÍSTICA I-V La Fig.11 muestra la característica IV (Intensidad contra voltaje V) de una celda solar: I = C R -Is [exp( qv /kt ) - 1] (1) Donde: C es una constante

33 Memoria 32 R es la irradiación solar (W1m2) Is es la corriente de saturación del diodo q la carga eléctrica elemental (q=1.60 * 10-19Coulomb) k la constante de Boltzmann (k= 1.38 * 10-23J/K) T la temperatura absoluta en Kelvin. Sin iluminación, la característica es la de un diodo. La relación entonces es: Id=-Is [exp (qv/kt) - 1] (2)

34 Memoria 33 Dos importantes valores característicos de las celdas solares son el voltaje de circuito abierto Voe y la corriente de cortocircuito Ise. Para circuito abierto I = 0 y entonces Voe = ( kt / q ) * In [ ( e * R / Is ) + 1 ] (3) Voc» ( kt / q ) * In [ e * R / Is] (4) Para corto circuito, V = 0 y por consiguiente Isc =e *R (5) La corriente Ise es entonces una función lineal de la irradiación solar. Esta propiedad permite emplear las celdas solares como sensores para la medición de la irradiación.

35 Memoria POTENCIA La potencia que suministra una celda es P=IV (6) Esta potencia es el área bajo la curva IV definida por el V de operación. Si V = 0, I= Ise y P= 0 Si V=Voe, I= 0 y P= 0 La potencia máxima que se puede obtener de la celda es el área del máximo rectángulo que se puede inscribir dentro de la curva IV (Fig. 11). Vmp es el valor del voltaje para el cual se tiene Pmp e Imp es la corriente correspondiente: Pmp = Vmp * Imp (7) Pmp puede calcularse teóricamente a partir de las ecuaciones (7) y (2): P = C R V -Is * V [exp( qv/kt ) - 1] La condición para máxima potencia se obtienen cuando dp/dv=0, o sea Imp= Is * (q/kt) Vmp [exp (q VmplkT)]» C R [1- (kt/q Vmp)] (8) V mp = (kt/q) In [{(CR/Is)-1 }/{l +(q VmplkT)}] V oe - (kt Iq) In {1+(q VmplkT)} (9)

36 Memoria 35 La potencia máxima Pmp se da entonces como P mp = Imp Vmp» CR [ Voc - (kt Iq) Ln {1+( q Vmp / kt)} kt / q] = CR (Em / q) (1O) en donde Em = q [Voc - (kt / q) Ln {1 + (q Vmp / kt)} - kt / q] (11) es la energía entregada por cada fotón a la carga en el punto de máxima potencia POTENCIA PICO La potencia pico, Wp, es la potencia máxima entregada por la celda solar (o módulo) cuando el módulo se expone a las condiciones estándar: 1000 W/ m2 de irradiación a incidencia normal, AM 1.5 y temperatura de celda de 25 C FACTOR DE LLENADO El factor de llenado FF está definido como: FF = V mp * Imp / (Voe Ise) (12) FF es entonces el cociente entre la máxima potencia obtenible y el producto Voe Ise. FF es por lo tanto la desviación que presenta una celda de la rectangularidad y es una medida de la calidad de la celda (Fig. 12).

37 Memoria EFICIENCIA DE LAS CELDAS SOLARES La eficiencia de las celdas solares, ε, se define como Potencia _ max_ electr ε = (13) Potencia _ max_ incidente La eficiencia se da entonces como: ε = Voc Ise FF / (A * R) (14) Puesto que Ise es una función lineal de la radiación solar R, entonces: E= (C * FF / A) * (kt / q) * In [C *R / Is] (15)

38 Memoria DEPENDENCIA DE ISC, VOC, P Y Ε DE LA IRRADIACIÓN La Fig. 13 muestra como varían Ise, Voe y ε como funciones de R en una celda de CdS-Cu2S. Es muy importante observar que el voltaje V alcanza cerca del 90% de Voc con niveles muy bajos de irradiación (20 mw/cm 2 ) mientras que Ise es una función lineal de R. Esta es una diferencia importante con los procesos de conversión fototérmica en los cuales la eficiencia es una función creciente de R EFECTO DE LA TEMPERATURA Al aumentar la temperatura: Aumenta ligeramente la Intensidad de cortocircuito. Disminuye la tensión de circuito abierto, aprox: -2.3 mv/ºc

39 Memoria 38 El Factor de Forma disminuye. El rendimiento decrece con la temperatura CIRCUITOS EQUIVALENTES La Ec. (2) describe el circuito equivalente ideal de la celda solar (Fig.14a). Pero en efecto se presentan resistencias de tal manera que la corriente generada se ve disminuida. De acuerdo a la Fig. 4b, la celda solar es un generador de corriente (V casi constante) cuya corriente I L es reducida por la corriente del diodo I S. Las caídas de voltaje están representadas por las resistencias en serie y en paralelo R S y R Sh.La corriente está dada por: I = I L -I S {exp [(q(v + I R S ) / (kt) ]-1} - V/R Sh ; I L = C R (16)

40 Memoria EFICIENCIA MAXIMA Y PÉRDIDAS La eficiencia máxima teórica de las celdas solares ha sido calculada por Loferski como función del ancho de la banda prohibida (irradiadas con el espectro solar fuera de la atmósfera) (Fig. 15). Se puede observar que entre los materiales más prometedores figuran los semiconductores compuestos como el GaAs, CdTe y AISb. En el caso del Si, la diferencia que existe entre la eficiencia máxima teórica y la obtenida en la práctica es mínima, debido especialmente a que se trata de un material muy bien caracterizado en la industria de semiconductores. Las celdas solares tienen pérdidas de diferentes tipos. Si se considera una celda de Si cristalina, la cual es sensible al 44% de la energía que incide sobre ella,

41 Memoria 40 cerca de 16% de la energía se disipa en procesos internos, dando lugar a una eficiencia límite de 28%. Recientemente se han introducido nuevos conceptos que han permitido la reducción de pérdidas y que las celdas de Si-c alcancen cifras de eficiencia a nivel de laboratorio de 25 % MATERIALES UTLIZADOS EN LA ACTUALIDAD Los materiales utilizados en la actualidad pueden ser englobados en 2 grupos principales las células de silicio cristalino y las células de película delgada.

42 Memoria 41 Las de silicio, tanto monocristalino como policristalino, son las que dominan el mercado actual, ya que sus procesos de producción, su tecnología y su eficiencia las hacen en estos momentos las dominadoras en el campo de energía solar fotovoltaica. En este tipo de células se están mejorando los costes utilizando materiales bases de mayores calidades, aunque esto supone un precio mayor de dichos materiales, el coste es reducido ya que se pueden tener procesos productivos más eficientes con lo cual se reduce el coste final. Se han conseguido células en laboratorio con eficiencias de 24.7%, aunque las células comerciales están por debajo del 16%. Esto básicamente es debido a que las células que son ensayadas en laboratorio son de unos tamaños mucho menores, por lo que han sido fabricadas con procesos distintos a las que son comercializadas, que tienen que ser fabricadas industrialmente, con todo lo que esto supone PROCESO DE FABRICACIÓN DE PANELES SOLARES DE SILICIO Las celdas de Si disponibles comercialmente en la actualidad son las de Si-sc (Silicio-single cristal: Silicio monocristalino) y Si-mc (Si-multicristalino). También hay algunos fabricantes que suministran celdas de Si-a (Si-amorfo). Sin embargo, la celda de Si-sc es sobre la que hay más experiencia de campo.

43 Memoria CELDAS DE SI-SC El proceso de fabricación de una celda de Si-sc es bastante complejo y consta de las siguientes etapas: fabricación del Si, cristalización y fabricación de la celda (Fig.l7). El primer paso es la fabricación de Si apropiado para la fabricación de las celdas. El Si es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. El Si se presenta como dióxido de silicio (sílica, SiO 2 ) y silicatos (compuestos de Si y otros elementos). La arena y el cuarzo son dos de las formas más comunes. La arena contiene demasiadas impurezas para ser procesada a Si. Los depósitos de cuarzita pueden llegar a contener hasta 99% de Si. Esta sílica es la que se procesa para obtener el Si para las celdas solares.

44 Memoria PRODUCCIÓN DE SI La primera etapa consiste en la reducción de la cuarzita a altas temperaturas para obtener Si de grado metalúrgico. En este proceso se agrega carbón en cantidades controladas a altas temperaturas. El oxígeno presente en la cuarzita se remueve en la forma de CO2.Otros procesos son necesarios para remover otras impurezas. El producto obtenido es un bloque o barra de una sustancia gris metálica brillante que es el Si policristalino de grado metalúrgico, con una pureza de 99% (2 nueves). El paso siguiente es la refinación de Si metalúrgico a Si grado semiconductor. Este proceso es mucho más costoso que el anterior. El Si se convierte mediante HCI en clorosilanos: Si + 3HCl => SiHCl 3 + H 2 Debido al bajo punto de ebullición del triclorosilano (31.8 C), éste se puede purificar muy efectivamente mediante la destilación Fraccionada(proceso parecido al empleado en las refinerías de petróleo). Luego es la reducción del triclorosilano con H 2 Si H Cl 3 + H 2 => Si + 3 H CI

45 Memoria 44 Y la formación de Si-policristalino empleando la tecnología del CVD (Chemical VapourDeposition). Este método produce Si con una pureza> % (6 nueves) PRODUCCIÓN DE SI-MONOCRISTALINO Para producir Si-se, primero se funde el Si-policristalino en un crisol a temperaturas del orden de 1410 C. En contacto con una "semilla" de Si monocristalino, los átomos de Si del material fundido se adaptan a la estructura cristalina de la semilla y a medida que se va solidificando, un monocristal de Si de mayores proporciones va "creciendo" del Si fundido. Hay varios métodos para la producción de Si monocristalino, expuestos a continuación: En el método CZ (método de crecimiento de Czochralski) una semilla se pone en contacto con el Si fundido y luego es retirada lentamente. Con este método se obtienen lingotes cilíndricos de Si-monocristalino de diámetros entre 10 y 15 centímetros, a una velocidad de 10 cm/hora y de longitud del orden de decenas de cm (Fig.18).

46 Memoria 45 Fig. 18 Método Czochralski de crecimiento de Si-sc El método FZ (Floating Zone) produce Si-se más puro que el método CZ debido a que en este método el Si no se contamina en el crisol como en el CZ(Fig.4.4). En el método FZ, se coloca la barra de Si-poli sobre una semilla. Una bobina induce un campo eléctrico, calentando la barra y fundiendo la interfase entre la semilla y el material. A medida que se desplaza la bobina alejándose de la semilla, el Si solidifica con la misma estructura de la semilla. El Si fundido se sostiene entre las dos barras gracias a la tensión superficial.

47 Memoria 46 Fig. 19 Método Floating Zone de crecimiento de Si-sc PRODUCCIÓN DE OBLEAS Posteriormente la barra de Si se cilindrada al diámetro de las celdas. A partir de este cilindro se cortan las obleas (wafers o discos) con un espesor típico de 300mm (Fig.20). En este proceso se pierde el 20% de Si en forma de polvillo.

48 Memoria 47 Fig. 20 Cortado de obleas de Si A pesar de que la tecnología del Si está bien desarrollada, los métodos CZ, FZ y la fundición de bloques de Si son procesos complejos y costosos. La idea de producir directamente las obleas a partir del Si fundido simplificaría notablemente el proceso, los desperdicios y daños en la oblea ocasionados en el corte, y con ello, los costos. Se han desarrollado especialmente dos métodos. En el método EFG (Edge-defined Film-fed Growth), se produce una cinta de Si cuando se solidifica el Si que fluye por entre bordes sumergidos en el Si fundido (Fig.21). Los espesores obtenidos con esta técnica están en torno a los 0.25 mm, siendo el rendimiento de alrededor del 11%. Fig. 21 Proceso EFG

49 Memoria 48 El segundo método para producir cristales planos de Si es el DW (Dendritic Web). En este método, dos semillas en forma de alambre (dendríticas) se sumergen en Si fundido (Fig.22). Al extraer las semillas, se produce entre ellas una película de Si líquido que solidifica en la forma de una placa (oblea) con la estructura cristalina de las semillas. Este método produce celdas de alta calidad de mayor eficiencia que cualquier otro método de crecimiento pre-formado. Fig. 22 Proceso DW FABRICACIÓN DE CELDAS La estructura de una celda de Si-sc consta esencialmente de los mismos elementos aunque puede variar ligeramente entre los diferentes fabricantes (Fig23). Consiste esencialmente de las siguientes capas: una capa conductora en la parte superior, una película antireflectiva o una superficie tratada, una película delgada de

50 Memoria 49 Si-n de 0.3 mm (llamada colector), la juntura, un substrato Si-p de 250 ~ (0.25 mm) y un contacto inferior. Fig. 23 Estructura típica de una célula de Si-sc FABRICACIÓN DEL SUBSTRATO SI-MC Cuando el Si está fundido (antes de crecer los lingotes), el material se dopa con boro a un nivel de átomos/cm3, obteniéndose Si-mc, con una resistividad de aproximadamente 1.5 Ohm cm. Las obleas entonces que se cortan son ya Si-mc.

51 Memoria 50 Debido al cortado, la red cristalina cercana a la superficie se altera (se daña la cristalinidad y se contamina). Por tal razón es necesario remover estas capas dañadas (normalmente mediante ácidos). El espesor de la capa removida es de unos 30 a 50 mm, quedando finalmente la oblea de Si de unos 250 a 300 µm ( a nm). Las obleas se introducen en un horno entre 800 y 900 C, en donde se realiza la difusión de los átomos de fósforo, a partir generalmente de vapores de POCl 3 (Fig24). El tiempo de permanencia de la oblea en el horno depende de la concentración de impurezas requerido y al espesor que deba tener la capa de Si-n (niveles típicos de dopado de átomos/ cm3, espesor de 0.2 a 0.4 mm). Fig. 24 Difusión de los átomos de Fósforo

52 Memoria 51 Ya que en el proceso anterior la totalidad de la superficie de la oblea fue recubierta con una capan, es necesario remover ésta de una de las caras de la oblea. Para ello es necesario cubrir una de ellas y remover químicamente la otra PELÍCULA ANTIREFLECTORA El Si es un material gris brillante. Debido a que el índice de refracción del Si para la radiación solar varía entre 3.5 y 4, la reflexión es de aproximadamente 35%. Si la superficie no se trata, el Si refleja más del 30% de la luz incidente, pero si se deposita una película de SiO, la reflexión se reduce a 10%. Si se depositan otras películas, la reflexión se puede reducir a 4%. Otra manera es texturizar la superficie produciendo una estructura piramidal en la superficie, de tal manera que se aumenta la absorción por reflexión múltiple de la luz (Fig.25). Esto se logra mediante decapado químico. Si además se agrega una película antireflectora, la reflexión puede disminuir a 2%.

53 Memoria 52 Fig. 25 Texturizado de celdas CONTACTOS Los contactos eléctricos permiten el flujo de electricidad. El contacto inferior (no expuesto al sol) es una capa de aluminio o molibdeno. El contacto superior es más complicado por estar ese lado expuesto al sol. Una capa metálica continua como la inferior evitaría el paso de la luz y tampoco sería conveniente utilizar contactos laterales por la elevada resistencia eléctrica de la capa superior en esta configuración. Usualmente el contacto superior consiste de una rejilla que cubre toda la superficie (Fig. 26). Los finos elementos deben ser los suficiente gruesos y anchos

54 Memoria 53 para conducir bien la electricidad (baja resistencia) pero lo suficientemente espaciados y angostos para no bloquear el paso de la luz. Estas suelen tener transparencias superiores al 95 %. Fig. 26 Contacto superior Para su fabricación se emplean generalmente dos procesos: metalización (deposición al vacío de metales evaporados) a través de una máscara apropiada (Fig. 27) o pintándola por screen. También se emplea fotolitografía, obteniéndose rejillas de alta calidad pero a mayores costos. También se emplean películas continuas de materiales conductores transparentes (como ITO: Indium Tin Oxide: óxido de estaño indio).

55 Memoria 54 Fig. 27 Máscara para contacto superior TECNOLOGIA DE FABRICACION CELDAS DE PELICULA DELGADA CELDAS DE SI-A Las propiedades físicas del Si-a (Silicio amorfo) hidrogenado difieren esencialmente de las propiedades del Si-e, debido principalmente a: a) tiene un ancho de banda de 1.7 ev, que puede ser ajustado desde 1.3 hasta 2.2 ev mediante la formación de aleaciones con germanío y carbono; y b) la movilidad de los portadores de carga está fuertemente reducida en relación con las del Si-c y por tal razón requiere de un campo eléctrico fuertísimo. Mientras que en las celdas de Si-c (Si-se o Si-me) los portadores de carga difunden en un material cuya estructura cristalina tiende a la perfección, reduciendo de esta manera los defectos que producen una recombinación de portadores de carga,

56 Memoria 55 en el Si-a la estructura es amorfa. Los portadores de carga en este material están condenados a recombinarse a menos que tan pronto se generen actúe sobre ellos un campo eléctrico y la distancia de recorrido hacia las regiones donde son portadores mayoritarios sea mínima. Estas condiciones se dan si los portadores de c arga de generan ya dentro de un campo eléctrico fuerte y la separación (distancia que tienen que recorrer los portadores de carga) entre las zonas que producen este campo es mínima. Para tal efecto entonces los semiconductores p y n no se encuentran en contacto sino que entre ellos se encuentra una capa de semiconductor i (intrínseco) Guntura pin). De esta manera los portadores tan pronto se generan se encuentran sometidos a la acción de un fuerte campo eléctrico. La estructura anterior es posible gracias a que el Si-a absorbe la radiación solar con una eficiencia 40 veces superior a la del Si-e, requiriéndose tan solo una película de 1mm para absorber el 90% de la luz. Esta disminución de la cantidad de material asociada con procesos de deposición de estas películas a bajas temperaturas y sobre substratos baratos constituye el gran potencial de estas celdas. Películas de espesores tan pequeños no son autoportantes y requieren ser depositadas sobre un substrato. Estructuralmente, los átomos de Si en el Si-a tienen solamente un ordenamiento de corto rango y el material carece de u na estructura cristalina. Por lo tanto tiene una enorme cantidad de defectos como los dangling bonds, que son enlaces de Si no saturados por ausencia de átomos vecinos (Fig. 28). Tal material

57 Memoria 56 necesita ser estabilizado y sus defectos neutralizados. Estos defectos se neutralizan notablemente cuando al depositar Si se adiciona de 5 a 10 % de hidrógeno. A pesar de ello, la movilidad de los portadores de carga es muy inferior en este material a la movilidad en Si-c. Por esta razón no es conveniente que los portadores de carga tengan que desplazarse grandes distancias. La estructura de la celda es entonces una juntura pin con un espesor de 1mm. Fig. 28 Dangling bonds Consiste de una película superior altamente dopada tipo p + de 10 nm, una película semiconductora intrínseca de 500 nm y una película inferior altamente dopada tipo n - de 10 nm (Fig.29) (celda pin). Los fotones producen los pares electrónhueco en el semiconductor i y estos se encuentran dentro del campo eléctrico producido por las capas p + n_opuesto que la banda de Si-a es de 1.7 ev, el Voc de estas celdas es superior al de las celdas de Si-c. Este Voc compensa de alguna manera la pérdida de fotones con energías inferiores a 1.7 ev.

58 Memoria 57 Fig. 29 Estructura de una célula de Si-hidrogenado(TFSi-H) Una de las principales ventajas de este tipo de celda es que pueden fabricarse no solamente celdas sino módulos en un proceso continuo. Se comienza con el tratamiento de limpieza del substrato, luego con la deposición de SnO 2 para formar el contacto superior transparente, con un haz láser se cortan las celdas individuales, luego se deposita la película p +, seguida de la película i y finalmente la n, para posteriormente cortar la película con el fin de depositar el contacto inferior reflectivo de aluminio o plata y luego aislar cada celda dejando los contactos conectados en serie. Posteriormente se prueba la celda, se lamina y se colocan los contactos finales. El método de deposición de las películas semiconductoras es el conocido como CVD (Chemical Vapour Deposition). Se emplea silano SiH 4, el cual en la descarga se ioniza como SiH 3 y se deposita sobre el substrato formando una película de silicio amorfo hidrogenado con un contenido de 10 % de hidrógeno. Esta es una

59 Memoria 58 película semiconductora intrínseca. Si se adiciona diborina (B 2 H 6 ) o fosfina (PH 3 )al silano, se producen películas dopadas p y n. Si bien esta tecnología permite producir celdas y módulos en serie y tiene la ventaja del bajo consumo de materiales y energía, las celdas y módulos tienen problemas de estabilidad. La eficiencia desciende muy rápidamente entre un 10 y 20 %. El problema de controlarla estabilidad de los módulos es muy importante CÉLULAS SOLARES DE TERCERA GENERACIÓN Por células solares de tercera generación se entienden aquellas células que no siguen el principio de funcionamiento de una célula solar tradicional, y que por tanto no está sujeto su rendimiento teórico a los límites del tipo de tecnología de las células solares convencionales. Existen varias formas de superar dichos limites: Células solares en tándem o multijuntura. Células en tándem, más tecnología de concentración solar. Células bi-faciales. Células de banda intermedia.

60 Memoria CÉLULAS SOLARES EN TÁNDEM El principio fundamental de este tipo de células es la colocación sucesiva de varias células solares unas tras otras con distintos espacios de banda. La colocación de cada una de las células debe ir en orden descendente en relación a su espacio de banda. La célula superior, capturará los electrones de más alta energía, dejando pasar el resto. Si se colocaran las celdas en orden inverso al que se ha expuesto, la primera absorbería toda la radiación que tuviese más energía que su espacio de banda, pero solamente aprovecharía dicho espacio, por lo que el resto de la energía se invertiría en calentar la célula, con el pertinente descenso de rendimiento. El arseniuro de galio (GaAs), es uno de los materiales que más se está investigando para la aplicación en este tipo de células, para uno o incluso para varios de los componentes que forman este tipo de células. Otros materiales que están siendo

61 Memoria 60 investigados son el diseleniuro de indio con cobre (CuInSe 2 CIS) y el silicio amorfo CÉLULAS BIFACIALES Las células solares convencionales sólo son activas por su cara frontal, no sólo porque la cara posterior de la célula esté recubierta de un contacto metálico opaco, sino también porque sólo electrones bombeados en la proximidad de la superficie frontal son entregados al circuito externo. Los pocos generados hacia el interior vuelven a caer en la banda de valencia a través de los procesos llamados de recombinación. Durante una década a partir de 1974 se lanzó una investigación ambiciosa en la que se examinaron tres tipos de posibles células bifaciales. La finalmente elegida para industrializarla se basó en usar un material de base menos dopado de lo habitual, en el que la recombinación era menor, y añadirle un dopaje de

62 Memoria 61 boro adicional en la cara posterior para asegurar un buen contacto a la banda de valencia. El buen comportamiento de estas células sorprendió a sus inventores, y se explico por un modo de operación en alta inyección que no se aplicaba en la fecha para la interpretación de las células solares. En la célula bifacial el contacto posterior, como es usual en el frontal, se hacía mediante una rejilla metálica para dejar pasar suficiente luz La motivación inicial para desarrollar las células bifaciales fue, en realidad, su uso en concentradores estáticos que ahorraran el costoso silicio. Estos concentradores, sin órganos móviles, habían sido desarrollados recientemente para aplicaciones térmicas por Roland Winston y sus colaboradores del Instituto Fermi de la Universidad de Chicago. El uso de células bifaciales permitía duplicar la concertación alcanzable que en teoría podía llegar hasta alrededor de ocho. Se fabrico un prototipo de concertador estático con una concentración de alrededor de cuatro. Sin embargo se descubrió pronto una solución que parecía mucho mas simple y apta para la comercialización inmediata consistente en encapsular las células bifaciales en módulos semejantes a los de las células convencionales pero con la cara posterior trasparente, y pintar de blanco el entorno en el que se iban a instalar los módulos. Son los llamados módulos colectores de albedo. Una superficie nevada hace caer en la cara posterior del módulo el 80% de la energía incidente en la frontal, y un diedro de dimensiones medianas colocado tras el módulo da un albedo de más del 50%., aunque en configuraciones típicas éste no supera el 35%.

63 Memoria 62 Estas células, han sido objeto de un renovado interés desde 1995, año en el que se demostró la eficiencia, de 18.2% por la cara frontal y 19.1% por la posterior. A partir de entonces los laboratorios de mayor reputación desarrollaron células bifaciales consiguiendo los mejores resultados el Instituto Faunhofer de Energía Solar, en Friburgo, con mas del 20% por cada cara. Esto da lugar a rendimientos efectivos (no considerando en el denominador la entrada de una energía posterior de un 50% de la frontal) de más del 30%, inalcanzable con silicio por otros medios (récord, 24.7 % en la UNSW, Sidney) CÉLULAS DE CONCENTRACIÓN El interés de la concentración para aplicaciones fotovoltaicas radica en la disminución del área de célula necesaria para conseguir un mismo valor de energía. De esta forma, cuanto mayor es el factor de concentración menor es el área de célula necesaria. Existen dos factores que limitan el valor máximo de la concentración: el deterioro de la eficiencia de la célula a concentraciones indefinidamente altas y la reducción del campo angular de visión de los concentradores. Este último factor conlleva la necesidad de usar estructuras de seguimiento del sol con una precisión que es tanto mayor cuanto mayor sea el factor de concentración. El aumento de precisión da lugar a una elevación de los costes del conjunto. Sin embargo, aun existen terrenos sin explorar en la alta concentración que pudieran ser comercialmente viables. Ello es debido a que por un lado, los últimos

64 Memoria 63 desarrollos de las células de AsGa han permitido obtener altas eficiencias a concentraciones por encima de 1000 (es decir, a irradiancias de 100 Wcm-2) y a que por otro lado este Programa ha creado métodos nuevos de diseño de concentradores que permiten trabajar en alta concentración y con grandes campos angulares de visión, cercanos al 98% del límite termodinámico. De entre estos concentradores, el más característico para las aplicaciones fotovoltaicas es el denominado RXI. Este concentrador une a su capacidad de concentrar con gran campo angular, el hecho de ser extraordinariamente compacto (su profundidad es menor que 1/3 del diámetro de su apertura). En el IES se han conseguido células solares de GaAs con ventana de AlGaAs crecido por epitaxia de fase líquida CCPE con un rendimiento del 26,2% a 1000 soles y del 25% a 2000 soles en colaboración con el Instituto Ioffe de San Petersburgo. Recientemente, se ha logrado de forma independiente un 22,5% a 3600 soles. Todos los resultados anteriores han sido confirmados externamente por el National

65 Memoria 64 Renewable Energy Laboratory (NREL) de EEUU, y son los más elevados del mundo a estas concentraciones para células de una sola unión. Además de la introducción del GaInP, se experimentarán otras estructuras semiconductoras como la n sobre p, que al ser más inmune a la resistencia serie que la p sobre n, podría permitir la obtención de rendimientos cercanos al 30% a 1000 soles CELULAS DE BANDA INTERMEDIA Esta tecnología está basada en la colocación de una banda intermedia entre las bandas de valencia y de conducción. Esta banda intermedia permitiría que un fotón de los fotones de energía inferior a la banda prohibida del semiconductor pudiera bombear un electrón desde de la banda de valencia a la de conducción usando como paso intermedio el bombeo a la banda intermedia. Esto se realizara utilizando dos fotones de poca energía, un primero que sube un electrón desde la banda de valencia a la banda intermedia y otro fotón lleva el electrón desde la banda intermedia a la de conducción.