LECCIÓN 11 CÉLULAS SOLARES

Transcripción

1 ÓN CÉUAS SOAS NTODUÓN tr los dispositivos basados smicoductors, la célula solar s uo d los más adcuados para tdr cómo las propidads itríscas básicas dl smicoductor, combiació co las propidads tríscas coscucia dl dopado y técicas d prparació, dtrmia las caractrísticas y rdimito dl dispositivo. l rdimito d ua célula solar itrvi las propidads ópticas dl smicoductor, así como las propidads d trasport y las propidads d los portadors fura d quilibrio. Ats d dscribir l pricipio d fucioamito d ua célula solar rcordarmos la dfiició d los parámtros ópticos d u matrial. PAÁMTOS ÓPTCOS. a itracció tr ua oda lctromagética y u mdio matrial pud dscribirs, dsd u puto d vista macroscópico, mdiat los llamados parámtros ópticos, rlacioados co la fució diléctrica dl matrial. Supogamos qu ua oda lctromagética icid sobr la suprfici d u mdio matrial smiifiito. Si llamamos al flujo lumioso icidt al flujo lumioso rfljado, s dfi la rflctividad dl matrial como: Si llamamos T al flujo trasmitido, y al coficit d absorció dl matrial para dicha radiació, tdrmos: T stos parámtros fomológicos stá rlacioados co la costat diléctrica dl matrial, qu srá, gral, ua magitud complja ε ε + i ε. Dada la dfiició dl ídic d rfracció compljo, tmos: ε ε +iε +iκ κ +iκ ε κ ε κ dod s l ídic d rfracció y κ l ídic d tició. cordmos la cuació dl campo léctrico d la oda lctromagética l mdio matrial: r r,t r iiκ k iωt κ k ik ωt Dado qu l flujo lumioso s proporcioal al cuadrado dl módulo dl campo léctrico, tmos:, t κ k 4πκ λ Si comparamos sta cuació co la dl flujo trasmitido cuació 6, obtmos : 4πκ/λ dod λ s la logitud d oda d la radiació lctromagética l vacío.

2 cuato a la rflctividad, las cuacios d Frsl para odas co icidcia ormal prmit obtr: + κ + + κ 3 PNCPO D FUNCONAMNTO D UNA CÉUA SOA Ua célula solar s ua uió p o ua htrouió. a figura a mustra l squma d bada d ua uió p bajo ilumiació. auscia d ilumiació, l quilibrio térmico s alcaza mdiat itrcambio d portadors mayoritarios, lo qu collva la aparició d ua zoa d carga d spacio y d u campo léctrico itro qu s opo al movimito d los portadors mayoritarios. l quilibrio térmico s alcaza cuado la corrit d arrastr origiada por l campo d la uió compsa la corrit d difusió. Cuado s ilumia ua uió p co ua radiació d rgía suprior a la bada prohibida dl smicoductor, s romp l quilibrio térmico. a istcia d ua barrra qu favorc l movimito d los portadors mioritarios hac qu aqullos portadors mioritarios qu llgu a la barrra sa arrastrados por l campo y gr ua corrit l circuito trior o ua d.d.p. si l dispositivo stá circuito abirto. a célula solar bajo ilumiació srá pus quivalt a u diodo parallo co ua fut d corrit d valor qu dpdrá dl flujo lumioso icidt y d los parámtros dl dispositivo. Si la oscuridad la caractrística dl diodo s: q kt s bajo la ilumiació srá s q kt CA a figura mustras las caractrísticas d u fotodiodo la oscuridad y bajo ilumiació. Dfiimos la itsidad d cortocircuito como: PM PM y la tsió d circuito abirto como:

3 kt CA l + q s Cuado trazamos la caractrística dfiimos la tsió y la corrit como positivas cuado stamos polarizació dircta s dcir, cuado aplicamos tsió positiva a la part P. sas codicios la corrit circula d la part P a la part N dtro dl diodo. Cuado l fotodiodo stá bajo ilumiació si polarizació la corrit circula d N a P dtro dl diodo, y d P a N la rsistcia trior. Por tato, co l critrio d sigos dfiido, auscia d polarizació, cuado l fotodiodo sumiistra rgía, stamos l cuarto cuadrat <, >. a potcia sumiistrada por l fotodiodo o célula solar dpdrá dl puto d trabajo. Para cada célula solar habrá u puto óptimo l qu la potcia sumiistrada s máima. Si llamamos a la potcia lumiosa icidt, l rdimito srá: η PM PM S dfi l factor d llado FF como PM PM FF CA Co sa dfiició y llamado S a la suprfici d la clda y S al flujo rgético lumioso watios por uidad d suprfici, tdrmos S S y l rdimito s prsará: η CA FF S CA FF S S dod s la dsidad d corrit d cortocircuito. 4 NDMNTO MÁXMO Y AO ÓPTMO D GAP l rdimito máimo qu s pud obtr d ua célula fabricada co u smicoductor dado dpd úicamt dl valor d la bada prohibida o gap g dl smicoductor y d la forma dl spctro d ilumiació.. Por ua part, la tsió d circuito abirto máima qu s pud obtr co u diodo p corrspod al valor dl gap CAMa g /. Por otra part, la dsidad d corrit máima srá la qu corrspoda al flujo total d fotos absorbidos por l smicoductor. Si llamamos a la dsidad spctral d flujo lumioso fotos por uidad d suprfici y uidad d rgía d fotó, la potcia por uidad d suprfici icidt sobr la mustra srá: S a dsidad d corrit máima qu s pud obtr co u smicoductor d gap g srá: g Dado qu l valor máimo dl factor d llado s, l rdimito máimo srá:

4 η ma FF ma CA ma M ma S Por cada tipo d spctro d ilumiació habrá u valor dl gap óptimo. a figura mustra, por ua part, l spctro solar fura d la atmósfra, qu corrspod, básicamt, al spctro dl curpo gro a 58 K. s l llamado spctro AM las siglas AM idica la masa d air atravsada qu trasporta u flujo rgético d 353 /m. Al ivl dl mar, y icidcia ormal a la suprfici, l spctro solar s dsiga como AM uos /m. Para icidcia oblicua, la masa d air atravsada srá mayor, por lo qu s rducirá l flujo rgético. l úmro qu acompaña a las ltras AM s la proporció d air atravsada rspcto al valor míimo icidcia ormal, s dcir, la scat dl águlo d icidcia mdido rspcto a la ormal. a figura mustra l spctro AM /m. g g g g a siguit figura mustra l valor dl rdimito fució dl gap para l spctro solar AM.5. Tato para u valor grad dl gap como para u valor pquño l rdimito tid a cro. Para u valor grad, mayor qu 3, porqu l smicoductor apas absorb fotos dl spctro solar. Para u valor pquño dl gap, mor qu.3, porqu solo s aprovcha ua ífima part d la rgía d los fotos absorbidos, ya qu todo l cso d rgía dl fotó sobr la rgía dl gap s trasforma calor, al trmalizars rápidamt l lctró y l huco grados al míimo máimo d la bada d coducció valcia. Para l spctro solar AM.5 l valor óptimo dl gap stá tr. y.4, por lo qu smicoductors como l Si, P, GaAs o CdT rsulta adcuados para fabricar células solars. Dsd u puto d vista cocptual, s importat sñalar qu la limitació dl rdimito a valors toro al 3 % o s ua limitació trmodiámica básica, sio

5 ua limitació dbida a las particularidads dl dispositivo. Dato qu l "foco calit" sría la tmpratura corrspodit al spctro solar T C 58 K y l "foco frío" sría la tmpratura d la célula solart F 3K, la limitació trmodiámica sría T F /T C 3/ %. Si lugar d u smicoductor pudiésmos utilizar dos, sparado l spctro solar rgios adaptadas al gap d cada smicoductor, l rdimito sría: η ma g + g g g g Hmos supusto g < g. Optimizado los valors d ambos gaps sría, pricipio, posibl obtr rdimitos supriors al 6%. 5 MTACONS D NDMNTO SPCTO A AO MÁXMO 5. spusta spctral Dado qu o todos los fotos d rgía suprior al gap so absorbidos, i todos los pars lctróhuco llga a la zoa d la barrra ats d rcombiars, la fotocorrit s v rducida rspcto a su valor máimo. a dsidad d corrit cc ralmt obtida srá proporcioal al flujo lumioso y dpdrá d la rspusta spctral dl fotodiodo. S sul fabricar dispositivos co ua zoa muy dlgada y muy dopada qu apas cotribuy a la fotocorrit. Para simplificar l tratamito, prscidirmos d la cotribució d la zoa N. Cosidrarmos dos cotribucios, la d la zoa d agotamito, d achura, y la d la zoa P. la zoa d agotamito, todos los portadors so grados la zoa dl campo y todos cotribuy a la corrit. Si o s l flujo icidt, l flujo d portadors citados srá igual al flujo d fotos absorbido por la zoa d grosor, y la dsidad d corrit asociada srá Dod s la rflctividad dl matrial. Para la zoa P, platamos la cuació d difusió d los portadors mioritarios lctros: d D d a solució gral srá: A + B dod los dos primros térmios corrspod a la solució gral d la cuació homogéa y l último térmio s ua solució particular d la cuació o homogéa. os valors d A y B s obti impoido codicios d cotoro adcuadas. Para

6 la zoa P, l bord co la zoa d agotamito impodríamos la codició todo l cso d portadors s arrastrado por l campo d la barrra. l cotacto dl fodo, la codició d cotoro dpdría d la rcombiació suprficial la itrfas smicoductor/cotacto: H H S d d D dod H s l grosor d la célula. a prsió qu s obti s ua fució complicada dl coficit d absorció, la logitud d difusió y la vlocidad d rcombiació suprficial. Si l grosor s mucho mayor qu la logitud d difusió, la coctració db tdr a cro para H, por lo qu s db prscidir dl primr térmio d la solució gral y la codició d cotoro os daría: B y, por tato: d d a cotribució d la zoa P sría: + D d d D P a fotocorrit sría: + P + + Dfiimos l rdimito cuático para ua rgía d fotó dada como la rlació tr la fotocorrit y corrit máima qu produciría u flujo dado d fotos d sa rgía : + η + Para u dtrmiado tipo d spctro, la fotocorrit vdrá dada por: g η

7 Pérdidas por rflctacia: l térmio qu aparc l rdimito cuático rprsta ua importat limitació dl rdimito d la célula solar. l caso dl silicio, para l qu l ídic d rfracció s suprior a 4, las pérdidas por rflctacia supo más dl 35%. a mara más ficaz d vitar sta limitació cosist l uso d capas atirrflctats, qu so capas d matrial ormalmt, u óido co u ídic d rfracció itrmdio tr l dl air y l dl smicoductor y co u spsor d uas dcas d aomtros. l spsor d sas capas s pud lgir d mara qu los fctos itrfrcials tr la luz rfljada la itrfas air/óido y la luz rfljada la itrfas óido smicoductor rduc la rflctacia a valors dl ord dl %, valors qu pud rducirs aú más utilizado varias capas suprpustas. 3 Pérdidas por rsistcia itra d la célula l circuito quivalt d ua célula solar idal s ua fut d S corrit parallo co u diodo. ua célula solar ral hay qu tr cuta, por ua part, la rsistcia d la zoa utra dl smicoductor, por lo qu hay qu añadir ua rsistcia P sri S al circuito quivalt y, por otra part, las posibls pérdidas la barrra dl diodo, qu s da lugar a u fcto similar al qu tdría ua rsistcia P parallo co l diodo. l circuito quivalt sría l qu mustra la figura y su caractrística sría: S kt S + s P Como coscucia d sas rsistcias, s produc pérdidas d rdimito, las qu la tsió circuito abirto s v afctada fudamtalmt por la rsistcia parallo co pérdidas mayors cuato mor s P y la corrit d cortocircuito s v afctada fudamtalmt por la rsistcia sri co pérdidas mayors cuato mayor s la rsistcia sri.