Tema 3: Efecto fotovoltaico

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1 Tema 3: Efecto fotovoltaico

2 Generación de carga 1 Generación de carga Generación térmica Generación óptica Coeficiente de absorción Dimensiones de la célula fotovoltaica en PC1D Densidad de impurezas en PC1D Propiedades ópticas de los semiconductores en PC1D Ejercicio 2 Recombinación

3 Generación térmica En ausencia de iluminación la única carga libre en el semiconductor es la generada térmicamente (ver presentación Semiconductores.pdf): En un semiconductor intrínseco, por abandono de los electrones de los enlaces covalentes del silicio, generando un par electrón-hueco. En un semiconductor tipo n (p), por abandono de un electrón (hueco) de un átomo de impureza, además del mecanismo anterior. En un semiconductor intrínseco en equilibrio, la densidad de electrones n 0 es igual a la de huecos p 0 : n 0 = p 0 = n i cm 3 En un semiconductor tipo n la densidad de electrones se aproxima a la de impureza donadora N + d : n 0 N + d p 0 n2 i N + d n 0 p 0 En un semiconductor tipo p la densidad de huecos se aproxima a la de impureza aceptadora N a. p 0 N a n 0 n2 i N a n 0 p 0

4 Generación óptica Los fotones absorbidos por la célula fotovoltaica producen pares electrón-hueco que contribuyen a la generación de electricidad. La generación óptica produce un exceso de portadores minoritarios n o p que se suma a la concentración en equilibrio: n = n 0 + n o p = p 0 + p La variación de la concentración de portadores mayoritarios es depreciable.

5 Coeficiente de absorción El proceso de absorción depende de la energía de los fotones: Aquellos fotones con energía inferior a la de la banda prohibida del semiconductor no interaccionan con este y lo atraviesan como si fuera transparente. Si la energía del fotón incidente es mayor que la energía de la banda prohibida, el fotón es absorbido después de viajar una cierta distancia en el interior del semiconductor. Esta distancia depende del coeficiente de absorción α(λ) del semiconductor, que a su vez depende de la energía del fotón. El coeficiente de absorción es mayor para longitudes de onda cortas. El flujo de fotones en el semiconductor decae exponencialmente con la distancia: Φ(x,λ) = Φ 0 e α(λ)x La absorción de un fotón genera un par electrón-hueco. La tasa de generación de pares está relacionada con el flujo de fotones: G(x,λ) = dφ(x,λ) dx

6 Coeficiente de absorción de diferentes materiales

7 Dimensiones de la célula fotovoltaica en PC1D El espesor de la célula fotovoltaica se especifíca en: Device Thickness... El área de la superficie sobre la que incide la luz en: Device Area...

8 Densidad de impurezas en PC1D Durante el proceso de fabricación de las células fotovoltaicas se introduce una concentración de impurezas (dopado) de base para tener una conductividad uniforme y controlada. La concentración y tipo de impurezas del dopado de base se especifica en: Device Doping Background... Si en el panel se introduce la densidad de impurezas el programa calcula la resistividad del material y viceversa. También aparece información sobre al movilidad y difusividad de los portadores de carga.

9 Propiedades ópticas de los semiconductores en PC1D Los parámetros que caracterizan la absorción de luz y el índice de refracción en el semiconductor pueden encontrarse en: Device Material Optical... PC1D utiliza estos parámetros para calcular un modelo interno de absorción. Sin embargo, es preferible utilizar modelos experimentales de absorción. PC1D dispone de una serie de archivos con las características de los semiconductores más corrientes: Device Material Open: Silicio. Germanio. GaAs. Al 0,3 Ga 0,7 As. InP.

10 Ejercicio Abrir PC1D sin cargar ningún archivo de ejemplo. La pantalla Parameters muestra un bloque de semiconductor de tipo p, con un área de 1cm 2 y un espesor de 10µm. Definir el material como silicio. Para ello cargamos el archivo SI.MAT con las propiedades de este material. Obtener la densidad intrínseca de portadores n i y el dopado de base N a de la vista Parameters (Region 1). Simular y obtener la densidad de electrones y huecos de la gráfica Carrier densities Coincide la densidad de huecos p 0 con el dopado N a? Cuál es la densidad de electrones n 0? Comprobar que se cumple la aproximación n 0 n 2 i /N a. De donde proceden los electrones libres si no hay impurezas donadoras de electrones ni iluminación?

11 Redimensionar el espesor del bloque semiconductor a 100µm. Habilitar una fuente de luz monocromática frontal con los parámetros por defecto y λ = 400nm Representar la gráfica Generation & Recombination en la vista interactiva. Cambiar el eje X a escala logarítmica si es necesario (doble click sobre el área azul para ver el panel de opciones de gráfico). Para qué profundidad se obtiene una generación de carga máxima? (Observar que la gráfica es acumulativa, la generación máxima corresponde a la pendiente máxima de la curva). Repetir la simulación para longitudes de onda de 600nm y 1200nm. Cómo evoluciona el perfil de generación? A qué se debe? Repetir la simulación para una longitud de onda 1300nm. Qué tasa de generación hay en el semiconductor? Explicar el resultado. Simular de nuevo iluminando con un espectro AM1.5G A qué profundidad se obtiene la máxima generación?

12 Recombinación 1 Generación de carga 2 Recombinación Tipos de recombinación Tiempo de vida, tasa de recombinación y longitud de difusión. Parámetros de recombinación en PC1D Ejercicio Cuestiones

13 Tipos de recombinación Cualquier electrón en la banda de conducción se encuentra en estado metaestable. Transcurrido cierto tiempo se recombinará con un hueco volviendo a la banda de valencia. Este proceso puede ocurrir de tres maneras: Recombinación interbanda: Recombinación directa de un electrón en la banda de conducción con un hueco en la banda de valencia. Recombinación a través de trampas locales: Recombinación a través de defectos en la estructura cristalina del semiconductor que introducen niveles energéticos en la banda prohibida. Sucede, por ejemplo, en las fronteras de grano de las células policristalinas. Recombinación superficial: Recombinación a través de los enlaces incompletos de la superficie del semiconductor. Se puede minimizar introduciendo recubrimientos superficiales (pasivación).

14 Tiempo de vida, tasa de recombinación y longitud de difusión. Al tiempo medio que transcurre entre generación y recombinación se le conoce como tiempo de vida de los portadores de carga, τ. El proceso de recombinación lleva el exceso de portadores minoritarios n ( p) al equilibrio a un ritmo o tasa de recombinación R n (R p ). R n = n τ n R p = p τ p Durante el tiempo de vida los portadores de carga pueden desplazarse una distancia L (longitud de difusión). L n = D n τ n L p = D p τ p Las células solares construidas con obleas que tienen portadores de carga minoritarios con largos tiempos de vida y grandes longitudes de difusión son más eficientes. Para tasas de recombinación superficial muy altas la recombinación está limitada por la velocidad a la que se mueven los portadores de carga en el semiconductor ( 10 7 cm/s).

15 Parámetros de recombinación en PC1D PC1D permite definir los tiempos de vida de los portadores de carga y las tasas de recombinación en las superficies de la célula: Device Recombination También se encuentra información relativa a la recombinación propia del material en: Device Material Recombination Estos parámetros se encuentran los archivos que definen los materiales.

16 Ejercicio Abrir el archivo PVCELL.PRM en PC1D. Definir una simulación múltiple dependiente del parámetro FrS (velocidad de recombinación superficial de electrones y huecos) entre 10 2 y cm/s con 15 pasos logarítmicos. Definir la variable BaseIsc (corriente de cortocircuito) como parámetro de salida. Cómo evoluciona la corriente de cortocircuito para velocidades de recombinación muy altas? A qué puede ser debido?

17 Cuestiones 1 Cuál es la región del espectro visible que se absorbe más eficientemente por el silicio? 2 Por qué el silicio no absorbe la banda del infrarrojo lejano? 3 Cómo se puede reducir la recombinación superficial? 4 Explicar por qué las células de silicio policristalino son menos eficientes que las de silicio monocristalino.

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