Universidad Nacional Autónoma de México. Centro de Investigación n en Energía, UNAM CURSO-TALLER SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Transcripción

1 Universidad Nacional Autónoma de México Centro de Investigación en Energía Centro de Investigación n en Energía, UNAM CURSO-TALLER SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CELDAS SOLARES AARÓN SÁNCHEZ JUÁREZ 1

2 El sol... El sol, emite 3.85x10 28 J/s de energía luminosa que se propaga en el espacio interplanetario y solo una fracción relativamente pequeña es interceptada por la tierra, pero suficiente para perfilarse como la fuente primordial energética del planeta! Energía renovable universal responsable de: Energía del viento Hidroeléctrica Maremotríz Biomasa Procesos fototérmicos Procesos fotovoltaicos

3 El efecto fotovoltaico El Efecto fotovoltaico consiste en la generación de energía eléctrica a partir de la radiación solar. Los dispositivos que generan energía a través del efecto fotovoltaico se llaman generadores fotovoltaicos y la unidad mínima donde se lleva a cabo dicho efecto se llama CELDA SOLAR

4 La Generación Fotovoltaica

5 El nublado pasado de la energía fotovoltaica 1839 E. Bequerel descubre el efecto FV Estudios del efecto FV en sólidos. Celdas solares de Se con eficiencias del 1% - 2 % Bell Lab. presenta su primera celda solar de Si cristalino con 6% de eficiencia Primer satélite espacial con tecnología FV Aumenta el interés en la tecnología FV, crisis mundial petrolera Evolución de precios en módulos FV basados en silicio (USD $ /watt) Actual ??? Eficiencias de conversión en módulos FV comerciales: 5-17 % Eficiencias de conversión en celdas solares en laboratorios: % (AsGa)

6 FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA SOLAR Acumulación de electrones CELDA SOLAR Acumulación de huecos LUZ SOLAR electrón y hueco Zona del campo eléctrico (-) (+) Voltaje medible 0.6

7 Generación de Potencia eléctrica Celda solar Generación de fotocorriente directa!!!

8 El efecto fotovoltaico EN DONDE SE LLEVA A CABO DICHO EFECTO? EN UNIONES ENTRE MATERIALES SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES. MÁXIMAS EFICIENCIAS EN SÓLIDOS SEMICONDUCTORES, COMO EL SILICIO, ARSENIURO DE GALIO TELURIO DE CADMIO, SELENIURO DECOBRE/INDIO. SEMICONDUCTORES GRUESOS DELGADOS SILICIO SILICIO GaAS CdTe MONOCRISTAL, POLICRISTAL AMORFO MONOCRISTAL, POLICRISTAL CuInSe2

9 Átomos, moléculas, electrones... Los electrones son los responsables del comportamiento eléctrico de los átomos y se les conoce con el nombre de portadores de carga Cuando los átomos de un material empiezan a aproximarse, los electrones que se encuentran en los orbitales externos comienzan a interaccionar, los orbitales superpuestos ahora reciben el nombre de bandas de energías

10 Bandas de energía en sólidos Banda de conducción Banda prohibida Banda de valencia Aislante Eg 1eV Banda de conducción Banda de valencia Semiconductor e libres conducción Banda de conducción Banda de valencia Metal Por su capacidad de conducir electricidad los materiales se clasifican en: Y semiconductores... conductores aislantes

11 Semiconductores Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Silicio íntrínseco Silicio tipo N Silicio tipo P La unión P-N P E N

12 Semiconductores Los semiconductores son utilizados en la fabricación de las celdas solares porque la energía que liga a los electrones de valencia al núcleo es similar a la energía que poseen los fotones que constituyen la radiación solar. Cuando la luz solar incide sobre el semiconductor, sus fotones suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones de valencia para que se rompan los enlaces y queden libres para circular por el material. En esa zona de deplexión que se ha formado se crea un campo eléctrico E (de la región N a la región P o de los iones + a los iones -) con lo cual se produce una caída de potencial sobre dicha región. Por cada electrón que se libera (carga negativa), aparece un hueco (ausencia de carga negativa), los que se comportan como partículas con carga positiva (+) Cuando en el semiconductor se generan pares electrón-hueco debido a la absorción de la luz, se dice que hay una fotogeneración de portadores de carga negativos y positivos. Aplicando un campo eléctrico, o una polarización podemos separar a las cargas positivas y negativas generadas en el material (corriente fotogenerada).

13 Materiales de fabricación Silicio Monocristalino: Las celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy alta pureza. La eficiencia de estos módulos ha llegado hasta el 17%. Los módulos con estas celdas son los más maduros del mercado. Silicio Policristalino: Celdas están formadas por varios cristales de silicio. Esta tecnología fue desarrollada buscando disminuir los costos de fabricación. Dichas celdas presentan eficiencias de conversión un poco inferiores a las monocristalinas. Silicio Amorfo: La tecnología de los módulos de silicio amorfo ha estado cambiando aceleradamente en los últimos años. En la actualidad su eficiencia ha subido hasta establecerse en el rango del 10% y promete incrementarse.

14 Silicio Monocristalino La técnica más común para elaborar monocristales de Si es el proceso de Czochralski. Una semilla de un m-si se coloca sobre la superficie del silicio fundido. Cuando la semilla se gira sobre un eje vertical y se mueve hacia arriba, los átomos del Si fundido solidifican siguiendo la misma estructura cristalina que la semilla.

15 Estado tecnológico actual para el Silicio Monocristalino

16 Estado tecnológico actual para el Silicio Monocristalino

17 Origen de la Celda Solar de Silicio Policristalino

18 Línea de Producción

19 CELDAS SOLARES DE SILICIO

20 SILICIO AMORFO: Película Delgada

21 SILICIO AMORFO: Película Delgada

22 Materiales de fabricación Silicio monocristalino Silicio policristalino Silicio amorfo

23 Estructura típica de una celda solar Unión P-N

24 Comportamiento Corriente-Voltaje Bajo oscuridad I I D =I 0 (e qv/akt 1) Ri P N + I V V I

25 Comportamiento Corriente-Voltaje Bajo iluminación I V L V I S Ri + I L V I L I D I S = I D -I L

26 Interpretación Gráfica I-V I I L I P N menos I igual I M I CC V Vc V I Voltaje (V) V M V CA V Corriente (A)

27 Procedimiento para medir Voltaje a Circuito abierto, Vca, y la Corriente de Corto circuito Icc en una CELDA SOLAR (-) VOLTÍMETRO (Alta impedancia) Vca = 0.59 volts I = 0 amp Area 100 cm 2 Area 100 cm 2 (-) (+) (+) APERÍMETRO (Impedancia=0) Icc = 3.2 ampers V= 0 volts

28 Voltaje y corriente de operación (Vop e Iop de una Carga acoplada a una celda solar. POTENCIA LUMINOSA ( Pi ) Area 100 cm 2 I I 1 Im I 2 Icc (-) (+) VOLTÍMETRO Vop = 0.54 volts 0.54 Rectángulo de Area Máxima APERÍMETRO (Impedancia=0) 2.5 Iop = 2.5 A v 1 v 2 Vca Vm PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA Pm = Im Vm V Carga

29 Parámetros Eléctricos de una Celda Solar I CC I M I V M P M V CA V VOLTAJE A CIRCUITO ABIERTO V CA MÁXIMO VOLTAJE GENERADO POR LA CELDA. CORRIENTE A CORTO CIRCUITO I CC MÁXIMA CORRIENTE GENERADA POR LA CELDA. PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA P M ES UN PUNTO SOBRE LA CURVA PARA EL CUAL EL PRODUCTO DE V CON I ES EL MÁXIMO. EFICIENCIA DE CONVERSIÓN ES LA RAZÓN ENTRE LA POTENCIA = P/A GENERADA ES LA POTENCIA POR LA EFECTIVA CELDA CUANDO DA DA COMO SOBRE ELLA INCIDE UNA POTENCIA LUMINOSA η = P M / P I X 100 Donde P I es la irradiancia por el área efectiva de la celda

30 Parámetros eléctricos de una celda solar. N P Corriente a corto circuito I CC Voltaje a circuito abierto V CA V CA Potencia máxima generada P M

31 I Características Eléctricas Fuente de Voltaje Fuente de Corriente I CC I M I L I D R S H R S I S (a) V V M V CA (b) (c) Corriente (A) FUENTES DE POTENCIA Voltaje (V) RESISTENCIA INTRÍNSECA R L

32 POLICRISTAL AMORFO TECNOLOGÍA A FOTOVOLTAICA COMERCIAL MONOCRISTAL V CA 0.61 V J CC 36.4 ma/cm 2 P M mw/cm 2 V CA 0.74 V J CC 41.6 ma/cm 2 P M mw/cm 2 SILICIO V CA V J CC ma/cm 2 P M mw/cm 2

33 Concepto de Potencia Máxima I SC I M P M Recta con pendiente 1/R L I CC I M I A A'' A A' P M Recta con pendiente 1/R A B' Corriente (A) Potencia (W) B 0 Voltaje (V) V M V OC 0 Recta con pendiente 1/R B V A B'' V M V B V CA (a) (b) 3.0 W 2.2 W 1.5 W 1.0 W Voltaje (V) Corriente (A)

34 Efecto de la Irradiancia La corriente de corto circuito es directamente proporcional a la magnitud de la irradiancia Corriente (A) ,200 W/m 2 1,000 W/m W/m W/m W/m W/m 2 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Voltaje (V) (a) P M Corriente a corto circuito (A) I CC = H Irradiancia (W/m 2 ) (b)

35 Efecto de la Temperatura 5 4 Corriente (A) 0º C 3 25º C 35º C 2 45º C 55º C 1 65º C LOS FACTORES SON: 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Voltaje (V) Vca : Reducción del orden de 2.1mVolt por cada grado centígrado. Icc: Aumentodel 0.1% de su valor, a temperatura ambiente, por cada grado centígrado

36 Efecto del área de la celda CARACTERISTICAS DIMENSIONES [mm] Valores típicos a 1kW/m 2 y 25 C Voltaje a cto. abierto Corriente de corto cto Pot. máx. (± 10%) Voltaje a Pot. máx. Corriente a Pot. máx. Voc Isc Pm Vm Im (V) (A) (W) (V) (A) Celda ½ Celda ¼ Celda Celda 101 x 101 ½Celda 101 x 50.5 ¼Celda 50.5 x Peso (g)

37 PARÁMETROS LIMITA DORES DE LA EFICIENCIA 100 mw SILICIO CRISTALINO 21 mw falta de absorción para energías del fotón menores al borde de absorción. 31 mw fotones con energía en exceso generan calentamiento. Voltaje disponible 1.1 V Recombinación Voltaje a circuito abierto 0.6 V (0.7 V) Pérdidas por resistencia serie Factor de forma 0.75 ( 0.8) Corriente disponible 44mA Eficiencia de colección; Absorción incompleta Reflexión en la superficie; Sombreado x contc. Corriente a corto circuito 28 ma (41 ma) Potencia de Salida de la celda 14 mw (23mW) UNAM

38 Celda Solar de Silicio Exceso de energía Generada Brecha de banda prohibida de Si Eg = 1.1 (ev) Energía efectiva Perdida debido a la transmisión Longitud de onda Espectro de la dencidad de energía

39 Celda Solar de Ga As Exceso de energía Generada Brecha de banda prohibida de Ga Eg = 1.43 (ev) Brecha de banda prohibida de Ge Eg = 0.65 (ev) Longitud de onda Espectro de la dencidad de energía

40 Celda Solar Tandem E g3 < E g2 < E g1

41 Contactos Semi-Transparentes Puntos de Conexión Celda Solar Unión Multiple I l u m i n a c i ó n Semiconductor 1 Semiconductor 2 Semiconductor 3 Unión 1 P - N Unión 2 P - N Unión 3 P - N E g3 < E g2 < E g1

42 Estructuras y Celdas Solares Aplicación terrestre Homounión Si Unión PIN de a- Si : H 300 µm n + n p µm 3 mm Zn O Zn O Cu In Se Molibdeno Eficiencia Area Antirreflexion Regilla n + p p + Contacto Metalico 16.9% 0.33 cm 2 Aislante CCT n + I p + n + p + Metal Vidrio Vidrio CCT Cd S Cd Te Eficiencia Area Metal 0.7 µm 0.5 µm 15.8% 1.05 cm 2

43 Métodos: Varios TELURIO DE CADMIO ESTRUCTURAS Características eléctricas Vca= 0.84 V ; Jcc= 26.1 ma/cm 2 FF= 73.1; η= 16.0

44 ARSENIURO DE GALIO Electrodo Sn p + Ga As p Ga As p + Si 2 µm 2 µm Voc = 1.02 V Contacto conductor transparente Pelicula Extremadamente Delgada n+ Tipo Ge p + Ge Isc = 28.2 ma / cm 2 FF = 87.1 Electrodo η = 25.1%

45 ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA TIPO DE TECNOLOGÍA TIPO DE TECNOLOGÍA TIPO DE TECNOLOGÍA CONFIGURACIÓN DE MÓDULOS Diseño en homounión *Silicio monocristalino (gruesa) *Silicio policristalino (gruesa) *Silicio amorfo (película delgada) Películas delgadas monocristalinas *Arsenuro de Galio (GaAs) Diseño en Heterounión Películas delgadas policristalinas: *Cobre-Indio-Diselenio *Telenuro de Cadmio Diseño de unión múltiple a-sic/a-si a-si/a-si a-si/a-sige a-si/poli-si a-si/cuinse 2 GaAs/GaSb Módulos Planos Módulos con concentrador Estatus Disponible comercialmente Bajo desarrollo Estatus Próximamente Disponibles comercialmente Estatus Bajo Desarrollo Disponible comercialmente Disponible comercialmente

46 EFICIENCIA DE CELDAS DE SILICIO CRISTALINO CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO; IRRADIANCIA AM1.5 TÉCNICA DE ELABORACIÓN TIPO DECELDA ORGANIZACIÓN ÁREA (cm 2 ) h (%) Zona Flotante MX PERL Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA (ZF mx) BPCC Stanford Simple BCC Stanford BCSC Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA Czochralski MX BCSC Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA (CZ mx) n + pp + Telefunken, Siemens n + pp + Sharp comercial Varios Silicio Moldeado PX PESC Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA (CS px) BCSC Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA n + pp + Sharp n + pp + Telefunken comercial Varios (Solarex, Kyocera,...)

47 EFICIENCIA DE CELDAS Y MODULOS DE SILICIO CRISTALINO MODULOS PLANOS Zona Flotante MX BCSC Univ. de Nueva Gales AUSTRALIA Czochralski MX n + pp + Telefunken, Siemens Silicio Moldeado PX Comercial Solarex Silicio Moldeado PX Comercial Solarex, Kyocera, Photowatt

48 TECNOLOGÍA A FOTOVOLTAICA COMERCIAL TELURIO DE CADMIO First Solar V CA CA 0.84 V JJ CC CC 26.7 ma/cm 2 P M mw/cm 2 SELENIURO DE COBRE-INDIO Siemens Solar Industries V CA V J CC 35.7 ma/cm 2 P M mw/cm 2