Estudio y caracterización de células solares fotovoltaicas

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1 Estudio y caracterización de células solares fotovoltaicas Esta práctica consta de tres partes: en la primera analizaremos varias células fotovoltaicas (monocristalina y policristalina), obteniendo su curva I-V tanto en oscuridad como en iluminación. En la segunda trabajaremos con un panel fotovoltaico comercial, del que obtendremos sus parámetros de trabajo. En la tercera analizaremos la eficiencia cuántica de una célula. Objetivos Estudio y caracterización de células fotovoltaicas mediante un modelo eléctrico teórico que contrastaremos con los resultados obtenidos experimentalmente. Comparación entre los diferentes tipos de células y las diferentes temperaturas a las que se trabaja. Análisis de un panel fotovoltaico comercial. Medida de la eficiencia cuántica de una célula de silicio monocristalina. Equipo y material a utilizar Células solares de Si de varios tipos: Célula monocristalina., célula policristalina. Fuente de alimentación regulable Resistencias variables de distintos valores (10Ω, 50Ω, 100Ω, 500Ω). Amperímetro. Voltímetro. Fuente de luz halógena de 150W. Panel solar comercial. Cables de conexión. Monocromador. Lámpara de tungsteno.

2 Conocimientos previos necesarios El actual consumo energético mundial y el deterioro medioambiental hacen necesaria la búsqueda de energías alternativas inagotables y limpias. La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía limpia e inagotable. Los resultados del estudio de las características de paneles solares nos permitirán plantear una mejora encaminada a la obtención de un mayor rendimiento energético. Para abordar el estudio de la práctica se deberán tener los siguientes conocimientos: Conceptos: Semiconductor Bandas de energía (conducción y valencia) Gap de energía Dopaje Silicio tipo P, silicio tipo N Efecto fotoeléctrico Comportamiento eléctrico de una unión P-N. Movilidad de electrones y huecos Región de carga espacial Procesos de recombinación Una célula solar es un sistema semiconductor que absorbe luz (energía solar) y la convierte de forma directa en energía eléctrica. Esta generación de energía, de manera general, parte del efecto fotoeléctrico sobre el gap de energía de un semiconductor. En todo sólido cristalino existen dos bandas de energías llamadas banda de conducción y banda de valencia, debido a los electrones compartidos de los átomos de la red. Estas pueden estar solapadas en el caso de los conductores, muy separadas en el caso de los aislantes o con una pequeña separación como es el caso de los semiconductores. La separación entre ambas es conocida como gap de energía.

3 En las células solares más habituales se aprovecha este pequeño gap de energía de los semiconductores para excitar electrones mediante efecto fotoeléctrico desde la banda de valencia a la de conducción. Este efecto es necesario hacerlo en un lugar donde pueda producirse además la separación de las cargas fotogeneradas. El lugar habitual será la unión p-n de un cristal. Cuando un cristal de tipo p (con exceso de carga positiva o huecos) y otro de tipo n (exceso de carga negativa) se unen, se genera una región llamada de carga espacial en la cual aparece un campo eléctrico producido por la reordenación de las cargas. En definitiva, cuando un fotón incide sobre la región de carga espacial de la unión p-n de un cristal se produce por efecto eléctrico un par electrón-hueco que son separados por el campo eléctrico existente en dicha región a ambos lados de la unión. Si unos conductores eléctricos a través de una resistencia conectan ambos lados de la unión, se producirá una corriente eléctrica debido a la tendencia de la recombinación del par e-h. En la resistencia usada obtenemos la energía generada en este proceso. Un modelo eléctrico teórico que represente este dispositivo, sería el mostrado por la figura adjunta. En él, la unión P-N se representa por un diodo, cuyo comportamiento eléctrico es conocido, y por una fuente de corriente dispuesta en paralelo que representa la corriente fotogenerada.

4 Aplicando las leyes de kirchoff al circuito obtenemos la expresión que nos describe su funcionamiento: I I L I D I I L I O qv AkT ( e 1) Este modelo básico, resulta insuficientemente para representar la célula. En ella existen unas corrientes de fuga de comportamiento lineal, que atraviesan la unión. Además, existe una caída de potencial proporcional a la intensidad que circula debida a la resistencia de los contactos y cables de conexión. Es por ello que debe mejorarse el modelo anterior añadiéndole una resistencia en paralelo que denominaremos Rserie para representar esas corrientes de fuga. En serie con todo el circuito también dispondremos de una resistencia que denominaremos Rsh e que representara la resistencia de los contactos. Con todo esto el modelo queda como puede verse en la figura. En este caso, la aplicación de las leyes de Kirchoff nos lleva a las expresiones siguientes: I I L I D I Sh

5 I I L I O ( e q( V IRS ) AkT V 1) IR R Sh S Descripción de la práctica La práctica se compone esencialmente de tres partes. El estudio y caracterización de células solares, el estudio de una instalación de aprovechamiento fotovoltaico y la medida de la eficiencia cuántica. Para la caracterización, se tomaran medidas de intensidad frente a voltaje para cada célula en dos situaciones distintas, en oscuridad y bajo iluminación... Estas medidas se repetirán a diversas temperaturas (por ejemplo 25ºC, 40ºC, 55ºC) con el fin de ver la variación de lo parámetros característicos con la misma. Estas series de datos de I-V (unas 6 por célula) serán sometidos a análisis matemático mediante algún programa informático (por ejemplo origin) de manera que se ajusten las curvas teóricas a las experimentales. De dicho ajuste obtendremos el valor correspondiente de cada parámetro de caracterización Estudio y caracterización de células Toma de medidas en oscuridad El trabajo en oscuridad tiene como objeto calcular los parámetros, Io, A, RS, RSH, que definen las características de una célula, según el modelo teórico. Para tomar las medidas montamos el siguiente circuito:

6 tensión. La resistencia variable es utilizada en este primer caso como divisor de Los valores de voltaje recomendados para cada célula están comprendidos aproximadamente entre -0,5V y 0,6V por célula. De la representación gráfica de I frente a V, se obtiene una curva que debe corresponderse con el comportamiento eléctrico del modelo teórico descrito por la ecuación anteriormente vista. De la aproximación de estos puntos obtendremos los parámetros de la célula. Para simplificar la obtención de los parámetros, en la región de la gráfica obtenida para voltajes bajos (aprox. de -0,5V hasta -0,3V) puede considerarse despreciable la parte exponencial que describe el comportamiento del diodo. Igualmente puede considerarse despreciable el término IRS/RSH, quedando finalmente la siguiente ecuación: I I O 1 R SH V Esta ecuación tiene la forma de una recta, y de la aproximación por mínimos cuadrados de los puntos tomados, pueden obtenerse los valores de Io (corte con el eje Y) y RSH (inversa de la pendiente de la recta).

7 Una vez calculados estos valores y tomando ya todos los puntos de la gráfica, resultará mas sencillo hallar A y RS utilizando para ello un ajuste no lineal de la ecuación completa. Toma de medidas bajo iluminación El trabajo en iluminación permitirá valorar el funcionamiento de la célula bajo estas condiciones, una vez ya conocidos los parámetros característicos calculados en oscuridad, y teniendo IL como única variable. Para ello, se realiza el montaje de la figura y se ilumina la célula con la lámpara halógena suministrada a la vez que se toman medidas de intensidad frente a voltaje variando la resistencia variable. Para evitar el calentamiento de la célula debido a la lámpara, esta se conectara brevemente durante la recogida de cada pareja de datos, dejando que repose entre medida y medida

8 En esta ocasión, la resistencia variable es utilizada como resistencia de carga. Debe elegirse de forma adecuada dicha resistencia con cada célula para que nos abarque de manara mas o menos uniforme el rango de medida. La curva obtenida en iluminación deberá coincidir con la obtenida en oscuridad, pero desplazada verticalmente hacia abajo una cierta cantidad que será IL. Del ajuste de esta nueva curva, se podrán obtener los parámetros de trabajo propios de cada célula: - ISC: corriente de cortocircuito. - VOC: voltaje a circuito abierto. - IMÁX: intensidad a máxima potencia. - VMÁX: voltaje a máxima potencia. - PMÁX: potencia máxima extraíble. - FF: factor de forma. También se podrá estudiar la diferencia de los rendimientos luminosos entre las células, al haber sido iluminadas todas con la misma fuente, comparando la potencia producida por unidad de superficie en cada una de ellas. Panel fotovoltaico comercial En este apartado se realizará un estudio práctico de obtención de energía. Para ello utilizaremos el panel bajo iluminación solar. Con un resistómetro y dos multímetros obtendremos la curva I-V del panel, y con esto sus parámetros de trabajo Análisis de la respuesta espectral

9 Uno de los objetivos más relevantes en el campo de la energía fotovoltaica es encontrar los materiales con los cuales se pueda obtener el mayor rendimiento de la energía proveniente del sol. Para ello vamos a estudiar la respuesta que obtengo para las diferentes longitudes de onda que llegan de una fuente lumínica. Vamos a utilizar una lámpara de tungsteno y un monocromador. Disponemos de una célula de silicio cuya respuesta viene dada por el fabricante. Colocamos la célula fotovoltaica a la salida del monocromador. Queremos calcular el número de fotones incidentes. Para ello necesitamos la potencia por unidad de área. La potencia obtenida a la salida del monocromador la podemos relacionar con el número de fotones incidentes, nf: Teniendo en cuenta que la eficiencia cuántica es el número de electrones que circulan por el circuito dividido por el nº de fotones incidentes: donde

10 Estudio previo Qué diferencia hay entre una célula monocristalina, una policristalina y una amorfa? Cómo se consigue una célula solar? Qué es el gap de energía? Por qué se escoge el silicio para la fabricación de células fotovoltaicas? Qué es el rendimiento de una célula? Qué tipo de célula es la que mejor rendimiento ofrece? Por qué? Qué es la región de carga espacial? Qué es la eficiencia cuántica? Informe El informe de esta práctica debe constar de: Representación de la curva I-V en oscuridad de las células monocristalina y policristalina para 3 temperaturas diferentes. Ajuste con origin de la curva experimental para obtener los parámetros Io, A, RS, RSH Representación de la curvas I-V y P-V en iluminación de las células monocristalina y policristalina a 3 temperaturas diferentes. Ajuste con origin de las curvas experimentales para obtener los parámetros Isc, Voc, Imax, Vmax, FF. Curvas I-V y P-V del panel fotovoltaico comercial. Obtención de los parámetros de trabajo del panel. Representación del nº de electrones por fotón para cada λ. Representación de la potencia espectral del conjunto lámparamonocromador. Representación del nº fotones incidentes para cada λ. Representación de Jcc, nº electrones y eficiencia cuántica para cada λ.

11 Bibliografía Magíster Marcela P. Barrera, Simulación y caracterización de celdas solares multijuntura y de silicio cristalino para aplicaciones espaciales, República Argentina, 2009 Jenny Nelson, The Physics of Solar Cells, Imperial College Press, Charles E. Bacus, Solar Cells, IEEE Press, 1976.

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