Física de Celdas Fotovoltaicas. Cap. III: Celdas Solares

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Emilio Guzmán Gómez
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1 Física de Celdas Fotovoltaicas Cap. III: Celdas Solares José L. Solis Universidad Nacional de Ingeniería Instituto Peruano de Energía Nuclear

2 Unión p-n

3 Unión p-n

4 Unión p-n

5 Unión p-n Directa Inversa

6 Curva característica I-V de un diodo de Si

7 Efecto Fotovoltaico Descuvierto en 1839 por el físico francés Alexadre-Edmond Becquerel. Observa que se generaban pequeñas cantidades de corriente cuando se iluminaba uno de los electrodos (AgCl- Pt) de una solución electrolítica conductora, y apreció un aumento de la generación eléctrica con la luz.

Observa que se generaban pequeñas cantidades de corriente cuando se

8 Celdas Solares - Historia En 1883 Charles Fritts construye la primera celda solar con una eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construida con el Se con una muy delgada capa de Au. Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a la generación de electricidad como sensores de luz en la exposición de cámaras fotográficas. La celda de Si proviene de la patente del inventor norteamericano Russell Ohl (US Patent , "Light sensitive device"), y fue construida en 1940 y patentada en La época moderna de la celda de Si llega en 1954 en los Laboratios Bells. Accidentalmente experimentando con semiconductores se encontró que el Si con algunas impurezas era muy sensible a la luz.

Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a la generación de electricidad como sensores de luz en la exposición de cámaras fotográficas.

9 Celdas Solares - Historia Daryl Chapin, Calvin Fuller y Gerald Pearson, de los Laboratorios Bell Telephone, desarrollan la primera célula de silicio, la cual da origen a la primera estructura fotovoltaica que lograba convertir luz en electricidad con una eficiencia razonable (6%).

célula de silicio, la cual da origen a la primera estructura

10 Celdas Solares - Historia La primera utilización práctica de la generación de energía con celdas fotovoltaicas fue en los dos primeros satélites geoestacionarios de URSS y USA. La URSS lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y los EEUU un año después el 1 de Febrero de En el diseño de este se usaron células solares desarroladas por la compañía Hoffman Electronics (8 %).

La URSS lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y los EEUU un año después el 1 de

11 Celdas Solares - Historia En 1967, se desarrolla la primera célula solar de película delgada (thin film) de sulfuro de cadmio (CdS). Se descubren nuevos materiales fotovoltaicos como el arseniuro de galio (GaAs), arseniuro de indio (InAs) y teluro de cadmio (CdTe). Se establecen las estrategias de implementación tipo tándem, y células multiunión. Entre , se fundan las primeras compañías dedicadas a energía solar. Las aplicaciones terrestres superan a las aplicaciones espaciales. La producción de paneles fotovoltaicos en el mundo supera los 500 kw.

Se establecen las estrategias de implementación tipo tándem, y células multiunión.

12 Curva de Experiencia en Fotovoltaicos

13 Costo de la Electricidad Solar

14 Irradiancia Solar Mundial

15 Situación de Energías Renovables en el Perú

16 Eficiencia de Conversión vs Tiempo

17 Costo vs Eficiencia de las tres generaciones I: Wafers II: Películas delgadas III: Películas delgadas avanzadas

18 Esquema Básico de una Celda Solar de Si cristalino

19 Esquema Básico de una Celda Solar de Si cristalino Menos de 0.3 mm de espesor. Hay pérdida de fotones por reflexión óptica (1, 2, y 3). El tiempo de vida media de los portadores es el tiempo promedio entre la generacion del par e-h y su recombinacion (Si es 1 μs). La longitud de difusion es la distancia promedio que el portador se mueve desde el la generación hasta la recombinación (Si es 0.2 mm).

El tiempo de vida media de los portadores es el tiempo promedio entre la generacion del par e-h y

20 Celdas Solares Pérdidas

21 Celdas Solares Pérdidas 1) fotones con energías menores que la banda prohibida del semiconductor; 2) pérdidas por termalización de la red; 3) y 4) pérdidas a través de la unión y los contactos; 5) pérdidas por recombinación

22 ( ARC ) Recubrimiento Antireflectante

23 ( mc ) Proceso de Fabricación de Si

24 Celdas Solares - Texturización

25 Celdas Solares - Contacto

26 Celdas Solares Curva I V

27 Celdas Solares Si Policristalino

28 Celdas Solares Si Policristalino % eficiencia

29 ( a ) Celdas Solares Si

30 Celdas Solares Si(a)

31 Celdas Solares Si(a)

32 Celdas Solares Si Fraunhofer ISE utilizando sinterizado de Al con laser para fabricar celda solares de alta eficiencia (21.7%) con contactos pasivantes en la parte posterior.

33 Celdas Solares PERL de Si 25% de eficiencia

34 Celdas Solares SUNPOWER de Si Celdas producidas ~ 22.4% de eficiencia; nuevos prototipos con 23.4%.

35 Celdas Solares Sanyo de Si

36 Celdas Solares CIGS % de eficiencia

37 Celdas Solares CdTe % de eficiencia

38 Celdas Solares GaAs

39 Celdas Solares de Colorante 11 % de eficiencia

40 Celdas Solares Tipo Tandem

41 Celdas Solares Tipo Tandem

42 Celdas Solares Tipo Tandem

Celdas Solares Cuánticas Estas celdas poseen capas nanométricas donde los efectos de confinamiento cuántico extienden la absorción de fotones a longitudes de onda más cortas.

43 Celdas Solares Cuánticas Estas celdas poseen capas nanométricas donde los efectos de confinamiento cuántico extienden la absorción de fotones a longitudes de onda más cortas. En la región intrínseca se depositan películas nanométricas de un material con un ancho de banda prohibida menor que la del material de la celda y cuyo espesor varía entre 1 nm y 10 nm.

44 Celdas Solares Cuánticas

45 Celdas Solares Cuánticas

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