CELDAS SOLARES INTRODUCCION La energía eléctrica no esta presente en la naturaleza como fuente de energía primaria y, en consecuencia, sólo podemos disponer de ella mediante la transformación de alguna otra forma de energía. Es por eso que han surgido todo tipo de plantas generadoras de energía a partir de combustibles fósiles, sin embargo, se ha notado que esta forma de generación produce mucha contaminación y devastación de los recursos naturales con los que cuenta nuestro planeta. Las llamadas "energías alternativas" son aquellas cuyo uso no genera contaminación y entre ellas podemos citar la energía eólica o la energía solar. La generación de este tipo de energía eléctrica no produce contaminantes, en especial la energía solar, y es por eso que últimamente ha tomado mucha importancia debido al mal estado en el que se encuentra nuestro ecosistema. El hombre ha aprendido recientemente a transformar la energía solar en eléctrica mediante diferentes procedimientos. Algunos de ellos, los llamados heliotérmicos o fototérmicos, operan sobre principios semejantes a los de las centrales térmicas y nucleares convencionales y por otro lado se encuentran los llamados fotovoltaicos, los cuales significan una importante simplificación respecto a los procesos energéticos convencionales. Las células o celdas fotovoltaicas son dispositivos capaces de transformar la radiación solar en electricidad; son dispositivos estáticos, es decir, carecen de partes móviles. La conversión directa de la energía solar en electricidad, depende del efecto fotoeléctrico que ya había sido descubierto en diversas formas en el siglo XIX. El efecto fotoeléctrico, es la emisión de electrones de una superficie sólida (o líquida) cuando se irradia con emanaciones electromagnéticas. Debemos señalar que hay dos tipos de efectos fotoeléctricos en las celdas solares. El primero es el interno, donde ciertos portadores de carga se ven liberados dentro del seno de un material mediante la absorción de fotones energéticos. En el caso del efecto fotoeléctrico externo, se emiten electrones libres mediante la absorción de fotones energéticos. Partiendo de una oblea de Si (disco muy delgado) se produce una celda solar una vez que se ha creado el campo eléctrico interno y después de preparar los contactos eléctricos adecuados. El campo eléctrico debe ser superficial para que la radiación solar llegue fácilmente hasta él. Los contactos eléctricos que se hacen en ambas caras de la oblea son de geometría y características especiales. La cara que no recibe la radiación se recubre totalmente, mientras que la cara expuesta a los rayos solares sólo se cubre parcialmente mediante un electrodo metálico en forma de red. Esto permite que el electrodo recoja en forma eficiente los portadores de carga eléctrica generados en el interior de la oblea. En años recientes ha habido un creciente interés por la celda solar como una fuente alternativa energía, Cuando consideramos que la densidad de potencia recibida del sol al nivel del mar es de aproximadamente 100 mw/cm 2 (1 kw/m 2 ). En verdad es ésta una fuente de energía que requiere más investigación y desarrollo para maximizar la eficiencia de la conversión de energía solar a eléctrica. U4 T1 Introducción - 1
CONSTRUCCIÓN La construcción básica de una celda solar de unión p-n de silicio se presenta en la figura 1. Como se muestra en la vista superior, se hace todo tipo de esfuerzos para asegurar que el área superficial perpendicular al sol sea máxima. Además nótese que la capa metálica conectada al material tipo n y el grosor de este mismo son tales que aseguran que un número máximo de fotones de energía luminosa alcancen la unión. Un fotón de energía luminosa en esta región puede chocar con un electrón de valencia e Impartirle suficiente energía para que abandone el átomo padre. El resultado es una generación de electrones libres y huecos. Este fenómeno ocurrirá a cada lado de la unión. En el material tipo n los nuevos huecos generados son portadores minoritarios y se moverán con bastante libertad a través de la unión, como en el caso de la unión p-n básica sin polarización aplicada. Un argumento similar se cumple para los electrones generados en el material tipo p. El resultado es un aumento en el flujo de portadores minoritarios, cuya dirección es opuesta a la de la corriente directa convencional de una unión p-n. Figura 1 Celda solar (a)sección transversal (b) vista superior Este incremento en la corriente inversa se muestra en la figura 2. Puesto que V = 0 en todas partes sobre el eje vertical y representa una condición de corto circuito, la corriente en esta intersección se denomina corriente de corto circuito y se representa mediante la notación Isc. Figura 2 Corriente de cortocircuito y voltaje de circuito abierto contra intensidad luminosa U4 T1 Introducción - 2
En condiciones de circuito abierto (i d = 0) se producirá el voltaje fotovoltaico Voc. Este es una función logarítmica de la iluminación, como se muestra en la figura 2. Voc es el voltaje terminal de una batería en condiciones sin carga (circuito abierto). Obsérvese en la misma figura, sin embargo, que la corriente de corto circuito es una función lineal de la iluminación. Esto es, se duplicará para el mismo incremento en la iluminación fc 1 y 2fc 1 en la figura 3, en tanto que el cambio en Voc es menor para esta región. El mayor incremento en Voc ocurre para aumentos de menor nivel de la iluminación. A la larga. Un aumento adicional en la iluminación tendrá muy poco efecto sobre Voc aunque Isc aumentará, provocando que se incrementen las capacidades de potencia. Figura 3 V OC e I SC versus Iluminación en una celda solar Las principales características de las celdas solares con respecto de los fotodiodos son las siguientes: 1. La resistencia serie (R S ) que aparece en el circuito equivalente de la celda solar de la Figura 4 debe ser muy baja, del orden de 1 Ω. La máxima potencia transferida no tendría lugar si hubiese una caída de tensión apreciable en R S. (R S esta formada por dos resistencias: la resistencia de contacto y la resistencia laminar.) Figura 4 Circuito equivalente de una celda solar U4 T1 Introducción - 3
2. El dopado de las células solares es de magnitud más elevado. Como el nivel de dopado, se aproxima al de un conductor, la resistencia serie se reduce notablemente y la región desierta se hace muy estrecha, aumentando la tensión en circuito abierto. 3. El área de la célula solar es mucho mayor con lo cual puede interceptarse mayor flujo radiante. 4. El elevado dopado y la película antirreflexiva disminuyen notablemente las pérdidas por reflexión. 5. La capa superior es tan delgada como es posible para extender la respuesta en ultravioleta hasta coincidir con el espectro solar. 6. Las células solares trabajan siempre sin polarización. 7. La velocidad y responsividad de una celda solar son considerablemente menores que en un Fotodiodo. 8. En muchas celdas solares, la resistencia de contacto se disminuye empleando un contacto directo. 9. Normalmente se usa una película superior para reflejar parte del espectro solar (próximo al ultravioleta y al infrarrojo) que produce calor pero origina pocos portadores de corriente. El selenio y el silicio son los materiales que más se usan en las celdas solares, aunque también se emplean, entre otros, el arseniuro de galio. El arseniuro de indio y él sulfuro de cadmio. La longitud de onda de la luz incidente afectará la respuesta de la unión p-n ante los fotones incidentes. En la figura 5 nótese la proximidad de la curva de respuesta de la celda de selenio a la correspondiente al ojo. Este hecho tiene una aplicación ampliamente utilizada en el equipo fotográfico, tal como los medidores de exposición y los diafragmas de exposición automática. El silicio también se traslapa con el espectro visible, pero tiene su máximo en la longitud de onda de 800 nm que se encuentra en la región infrarroja. En general, el silicio tiene una eficiencia de conversión más alta (20 a 1) y una mayor estabilidad estando menos sujeto a la fatiga. Ambos materiales tienen excelentes características de temperatura. Es decir, pueden soportar temperaturas muy altas o bajas sin una disminución importante de la eficiencia. Figura 5 Respuesta espectral del Si, Se y la visión U4 T1 Introducción - 4
La eficiencia de operación de una celda solar se determina mediante la salida de potencia eléctrica dividida entre la potencia que proporciona la fuente luminosa. Es decir, los niveles típicos de eficiencia varían de l0 a 40% (valores que se mejorarán en forma considerable sí continúa el actual interés). En la figura 6 se presenta un conjunto típico de características de salida para celdas solares de silicio de 10% eficiencia con un área activa de 1 cm 2. Nótese el lugar geométrico de la potencia óptima y el aumento casi lineal de la corriente de salida con el flujo luminoso para un voltaje fijo. Figura 6 Características de salida típica de una celda solar de silicio. Las celdas solares con difusión n en la parte superior y p debajo como la de la figura 7 son preferibles en aplicaciones espaciales porque son más resistentes a la alta energía de radiación que existe en órbita cercana a la Tierra. La radiación afecta al tiempo de vida de los portadores minoritarios, y la respuesta de la célula a longitudes de onda larga se reduce debido a que los pares inducidos por el infrarrojo se forman generalmente más allá de la región desierta y tienen mayor recorrido de difusión. En las células n sobre p, los portadores minoritarios en la región inferior p son electrones cuyo tiempo de vida es mucho mayor que el de los huecos, y por tanto son menos afectados por la radiación. Figura 7 Celda solar típica para aplicaciones espaciales U4 T1 Introducción - 5
Debido a que una celda solar genera corrientes y voltajes pequeños, éstas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prácticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo (paneles) para obtener mayores voltajes y corrientes formando lo que se denomina módulo fotovoltaico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener los voltajes y corrientes que nos den la potencia deseada. Los módulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que módulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje. Dos tecnologías básicas son las contendientes en la continua búsqueda de la celda perfecta: Tecnología de la celda solar (obleas) Silicio cristalino.- Hechos en largos cilindros y rebanadas en círculos, cuadrados, u obleas octagonales, estas celdas son las más eficientes y las más caras. El silicio cristalino cuenta alrededor de la mitad del mercado de celdas fotovoltaicas. Silicio policristalino.- Hecho de silicio fundido en forma de lingotes o trazado en láminas y cortados en obleas cuadradas, estas celdas son más baratas pero menos eficientes. (a) (b) Figura 8 Celdas solares (a) Si cristalino (b) Si policristalino U4 T1 Introducción - 6
Tecnología de película delgada Hecha mediante depósitos de capas de silicio amorfo (asi), telurio de cadmio (GdTe), o cobre indio diseleniuro (GIS) en un vidrio, metal o una superficie plástica; estas PV son normalmente menos costosas y menos eficientes que las de silicio cristalino. Figura 9 Celda solar con tecnología de película delgada Las principales características de las celdas solares son: * Son de fácil uso. * Generan bajos voltajes pero se pueden interconectar para dar altos voltajes. * No requieren mantenimiento (ocasionalmente limpiarlas). * Contienen bancos de baterías que requieren del agregado de agua ocasionalmente. * No almacenan la energía. * Son costosas. * No producen contaminación * Funcionan en el frío (Generan más energía a bajas temperaturas). * Funcionan en días nublados pero disminuye la energía generada hasta un 10%. * La eficiencia es alrededor del 13%, teóricamente se pueden lograr eficiencias de hasta un y 50% en laboratorio se han logrado fabricar celdas con eficiencias superiores al 30%. * Están diseñadas para durar al menos 30 años e incluso cuentan con garantías de 20 años. * Soportan todos los rigores del medio ambiente, la cubierta superior es de vidrio templado bajo contenido de hierro y lámina con una capa plástica. Esta construcción es de gran duración y alta resistencia al impacto. U4 T1 Introducción - 7