Máster Universitario de Investigación en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones Células solares 1
Índice Historia El por qué de las células solares? Principios básicos Generaciones de células solares Resumen Conclusiones 2
Reseña Histórica 1839 Alexandre-Edmon Becquerel descubre el efecto fotovoltaico 1883 Charles Fritts fabrica la primera célula solar cubriendo selenio semiconductor con una fina capa de oro para formar la unión (eficiencia 1%) 1888 Edwar Weston desarrolla la célula electroquímica que lleva su nombre 1946 Russell Ohl patenta la célula solar moderna 1954 Comienzo de la edad solar moderna: En los Laboratios Bell se descubre, accidentalmente, que el silico dopado con ciertas impurezas es muy sensible a la luz. La célula solar fotovoltaica se basa en dos funciones fundamentales: Fotogeneración de portadores de carga (electrones y huecos) en un material capaz de absorber la luz incidente. Separación de ambos tipos de portadores hacia contactos conductores para conseguir transmitir la corriente eléctrica 3
4
Reseña Histórica: primeras aplicaciones 5
Reseña Histórica 6
Reseña Histórica 7
Reseña Histórica
El por qué de las células solares El consumo energético se multiplica por 2 cada 35 años Con un incremento anual del 2% Las fuentes fósiles: petróleo, carbón y gas suponen el 86 % del consumo energético total. Estas fuentes son finitas, y afectan negativamente al entorno: calentamiento global y emisiones de CO 2. Las predicciones indican que se agotarán en 100 años. 9
Otras fuentes de energía FUSIÓN NUCLEAR ENERGÍA NUCLEAR VENTAJAS Fuente casi inagotable. Emisión prácticamente cero DESVENTAJAS Calentamiento global. Tecnológicamente no resuelta FISIÓN NUCLEAR Fuente casi inagotable. Calentamiento global. Residuos radioactivos Energía no renovable. Riesgo de desastres a escala global 10
Fuentes de energías renovables Agua Viento Sol Residuos orgánicos Renovables y Absolutamente libres de emisiones 11
Células Solares: Principios básicos Qué es una célula solar? Convierte luz solar en electriciad Fotovoltaico Foto = luz, voltaico = electricidad Efecto fotovoltaico Fotogeneración (electrones y huecos) Separación de portadores de carga hacia contactos conductores que transmiten la electricidad 12
Células Solares: Principios básicos Sección transversal de una célula solar Partes de una célula solar Contacto frontal Cobertura antirreflectante Retícula metálica de contactos Unión p-n de silicio Contacto posterior Plata, aluminio 13
Cómo se fabrica? Materiales Silicio cristalino Arseniuro de Galio (más caro) Polímeros conductores 14
Cómo se fabrica? 1. Preparación de lingotes 15
Cómo se fabrica? 1. Preparación de lingotes 2. Obtención de obleas 16
Cómo se fabrica? 1. Preparación de lingotes 2. Obtención de obleas 3. Fabricación de células fotovoltaicas 17
Cómo se fabrica? 1. Preparación de lingotes 2. Obtención de obleas 3. Fabricación de células fotovoltaicas 4. Células solares 18
Células Solares: Principios básicos Metales, semiconductores y aislantes Dopado de semiconductores: Tipos n y p Unión p-n en equilibrio (no polarizada) 19
Principio de funcionamiento 20
Principio de funcionamiento 21
El espectro solar 22
Silicio y el espectro solar
Eficiencia de células solares 24
Generaciones de células solares I. Primera generación Obleas de silicio monocristalino (c-si) II. III. IV. Segunda generación Silicio amorfo (a-si) Silicio policristalino (poly-si) Semiconductores II-VI (CdTe) Aleaciones Cu-In-Ga-Se (CIGS) Tercera generación Nanocristales Células fotoelectroquímicas (PEC) Células de polímeros Células Solares Dye Sensitized (DSSC) Cuarta generación I. Híbridos: nanocristales inorgánicos en matrices de polímeros 25
Primera generación (silicio) Generación prevalente en el mercado (>86% de la producción) Fabricadas a partir de obleas de silicio cristalino Consiten en uniones p-n de gran área Bandgap ~1.11 ev Ventajas Gran rango espectral de absorción Alta movilidad de portadores Desventajas Tecnología de fabricación costosa La fabricación de lingotes consume gran energía Gran proporción de la energía de fotones en el azul y el violeta es perdido en forma de calor 26
27
Segunda generación (Thin Film technology) Basada en el uso de capas delgadas de semiconductores no cristalinos Requieren menores masas de material Gran reducción de costes Las capas de semiconductores son depositadas sobre sustratos más económicos que las obleas de silicio. Ventajas Menores costes de fabricación Menores costes por vatio Reducción de masa Soportes de paneles más ligeros (menor peso en cubiertas) Permite colocar paneles en materiales ligeros y flexibles, incluso textiles Desventajas Menores eficiencias Inestabilidad del silicio amorfo Mayor toxicidad 28
Segunda generación : Tipos de células Silicio amorfo Puede ser depositado sobre grandes áreas mediante PECVD Dopado similar al c-si, para formar capas p y n Utilizado para células solares de gran área Bandgap 1.7 ev Silicio policristalino Consiste en granos de silicio cristalino (1 mm) con diferentes orientaciones separados por fronteras de grano La movilidad de portadores muy superior a silicio amorfo Bandgap 1.1 ev Telururo de Cadmio (CdTe) depositado sobre vidrio Compuesto cristalino de Cd y Te (estructura Zinc Blenda, cúbico) Habitualmente se forma una estructura sándwich con CdS para formar las uniones p-n Bandgap 1.58 ev. Cobre-Indio-Galio Diseleniuro (CIGS) Depositado sobre vidrio o acero Bandgap 1.38 ev 29
30
Tercera generación (Tecnologías de semiconductore salternativas) Muy diferentes de dispositivos previos No se basan en uniones p-n para separar los portadores fotogenerados Tipos: Nanocristales Células fotoelectroquímicas: Células Gräetzel Dye-sensitized cells (DSSC) Células solares de polímeros Ventajas Bajas energías de fabricación Células de polímeros: químicamente sintetizables, bajos costes de material Células Gräetzel: muy atractivas para reemplazar tecnologías estádar en aplicaciones de baja densidad como colectores solares en cubiertas DSSC: potencialmente recargables Actuablizables Desventajas Bajas eficiencias Células de polímeros: Su eficiencia decae con el tiempo. Ancho bandgap Las celdas fotoelectroquímicas sufren degradaciones de los electrondos por el electrolito 31
Tercera generación : Tipos I. Células solares de nanocristales Células solares basadas en un sustrato de silicio con una cobertura de nanocristales El sustrato de silicio tiene pequeños granos de nanocristales o quantum dots de PbSe o CdTe. Los quantum-dots son nanoestructuras semiconductoras que confinan el movimiento de electrones de la banda de conducción, huecos de la banda de valencia, o excitones en las tres dimensiones espaciales Las capas delgadas de nanocristales son obtenidas mediante spin coating 32
Tercera generación : Tipos II. Células fotoelectroquímicas (PEC) La doble función de la célula tradicional es separada Constan de un fotoándodo semiconductor y un cátodo metálico inmersos en un electrolito: K 3 Fe(CN) 6 /K 4 Fe(CN) 6 ) Iodide/Triiodide Fe(CN) 6 4 /Fe(CN) 6 3 Sulphide salt/sulphur La separación de carga es proporcionado por el semiconductor, pero con la ayda del electrolito. Células Gräetzel Celdas PEC de tintas fotosensibles El semiconductor sólo es usado para separar las cargas Los fotoelectrones son proporcionados por la tinta fotosensible La eficiencia de conversión es del orden del 11% 33
Células Gräetzel Tintas Complejo metalorgánico de Rutenio Arrays de ácido carboxílico funcionalizados con porfirina 1. Las moléculas de la tinta son activadas por los fotones 2. Los electrones de la tinta son transmitidas al TiO 2 3. Los electrones son colectados por el electrodo frontal y entregados a la carga externa 4. Las moléculas de la tinta son eléctricamente reducidas hacia sus estados iniciales gracias a electrones transferidos mediante pares redox en el electrolito 5. Los iones oxidados en el electrolito, se difunden hacia el electrodo posterior para recibir nuevos electrones. 34
Células de polímero Heterouniones entre un polímero orgánico y una molécula orgánica como receptora de electrones Fulereno embebido en un polímero conductor. Ligeros, económicos, flexibles, diseñables a nivel molecular, y de bajo impacto medioambiental Los mejores rendimientos obtenidos son próximos al 5% Los costes son del orden de 1/3 de las células solares tradicionales Bandgap >= 2 ev 35
Células de polímero Tras la excitación del polímero fotoactivo, el electron es transferido al C 60 debido a su alta afinidad electrónica Se forma una cuasipartícula fotoinducida (polarón P + ) en la cadena del polímero y un radical del fulereno negativamente cargado C 60-36
37
38
Cuarta generación (Células solares híbridas) Utilización conjunta de nanopartículasy polímeros para un mejor aprovechamiento espectral. Ventajas Bajos costes de materilaes (polímeros) Autoensamblables Nanocristales imprimibles en capas de polímeros Eficiencia de conversión potencialmente mejorable Desventajas Bajas eficiencias comparadas con células solares de silicio Problemas de degradación similares a las células de polímeros Requieren ajustes de optimización conductora de polímeros y nanocristales 39
40
El futuro: mejoras tecnológicas 41
El futuro: mejoras tecnológicas Dispositivos multiunión: Stack de celdas de unión individuales en ordes decreciente de Bandgap: La célula superior captura los fotones de mayor energía y el resto pasan a las celdas de gap menor Stacks mecánicos: Dos células individuales son fabricadas independientemente. Posteriormente son apiladas una sobre la otra. Stacks monolíticos: En primer lugar se fabrica una célula solar completa, y las subsiguientes células son crecidas o depositadas sucesivamente. Ejemplo: Triple unión de semiconductores: GaAs, Ge y GaInP Concentradores fotovoltaicos (CPV) Uso de grandes lentes y/o espejos que focalizan la luz solar sobre células fotovoltaicas de pequeña área Incrementan la eficiencia hasta valores del 40% 42
Celdas Tandem 43
Aprovechar todo el espectro 44
El futuro: mejoras tecnológicas 45
Eficiencia de células solares 46
Eficiencia de células solares 47
Resumen 48
Resumen 49
Resumen 50
Resumen 51
Conclusiones La energía fotovoltaica es un actor importante en el mercado energético. Los precios de fabricación son ya muy bajos. La eficiencia de conversión es la clave para futuras bajadas de coste de electricidad. Ulteriores mejoras implican análisis detallados de pérdidas. Una caracterización profunda de materiales es crucial. Nuevos conceptos para una vieja tecnología. 52
Máster Universitario de Investigación en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones Gracias por su atención 53