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ENERGÍA FOTOVOLTAICA – Dr. Ricardo Guerrero Lemus

LAS ENERGÍAS RENOVABLES: UNA APUESTA DE FUTURO EN LAS ISLASUniversidad Ambiental de La Palma: Cursos de Verano. Los Llanos de Aridane, 17 – 21 de septiembre de 2007

ENERGÍA FOTOVOLTAICA

Dr. Ricardo Guerrero Lemus

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DEFINICIÓN:

• La energía fotovoltaica es energía eléctrica creada mediante la excitación de portadores de carga eléctrica al interaccionar con fotones procedentes del sol.

• Hay que diferenciar la energía fotovoltaica de la energía solar térmica y de la generación de electricidad solar térmica.

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BREVE INTRODUCCIÓN HISTÓRICA:

1839: Edmund Becquerel, un joven físico experimental francés de 19 años descubre el efecto fotovoltaico mientras experimenta con una célula electroquímica, en la que se genera una corriente eléctrica entre dos electrodos metálicos sumergidos en una disolución conductora cuando ésta es iluminada por el sol.1873: Willoughby Smith descubre la fotoconductividad del selenio.1876: Adams y Day observan el efecto fotovoltaico en selenio sólido.1883: Charles Fritts, un inventor americano, fabrica la primera célula solar formada por dos placas de selenio y un fino electrodo de oro.1904: Einstein publica su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico.1941: Russell Ohl inventa la primera célula fotovoltaica de silicio.1954: Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin diseñan la primara célula de silicio que alcanza un 4.5 % de eficiencia de conversión de radiación en electricidad, pocos meses después un diseño más avanzado alcanza el 6 % (anteriormente las células fotovoltaicas tenían eficiencias inferiores al 1 %).1958: Hoffman Electronics crea una célula que alcanza el 8% de eficiencia, y es utilizada para alimentar el primer satélite que ha operado con energía solar, el Vanguard I (operó durante 8 años, el precio de producción fue de 200$/Wp, mientras que actualmente alcanza los 2,70$/Wp).1960: Hoffman Electronics desarrolla una célula que alcanza el 14 % de eficiencia.

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• Interacciones entre átomos.

• Desdoblamiento de orbitales.

• Principio de exclusión de Pauli.

ORBITALES ATÓMICOS – BANDAS SEMICONDUCTORAS

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Interacciones básicas electrón-fotón en un átomo:

• Absorción

E1 + hν12 = E2

• Emisión espontánea

E2 = hν12 + E1

• Emisión estimulada (contrario a absorción, coherencia [energía, fase, dirección, polarización]).

E2 + h12 = E1 + 2hν12

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En equilibrio térmico ([E2 – E1] > 3kT):

kTh

kTEE

eenn 1212 )(

1

2ν−−−

==

Ritmo emisión estimulada + Ritmo emisión espontánea =Ritmo Absorción

Inversión de población

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MATERIALES SEMICONDUCTORES:

• Cristalinos: predecibles y caros.

• Multicristalinos: granos ∼ cm.

• Policristalinos: granos microscópicos.

• Amorfos: enlaces libres – hidrógeno.

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MATERIALES DE CÉLULAS SOLARES:

• Silicio monocristal: c-Si.

• Silicio multicristal: mc-Si.

• Silicio amorfo: a-Si:H.

• Silicio en cinta: ribbon Si.

• Lámina delgada CdInS: CIS.

• Lámina delgada de CdTe.

• Células orgánicas.

• Células de colorante.

2000

1990

1980

300 MWp / a

ribbon-Si

multi-Si

a-Si

mono-Si

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VENTAJAS DEL SILICIO:

• Elemento abundante de la corteza terrestre.

• No es tóxico.

• Semiconductor elemental.

• Óxido nativo pasivante.

• Coeficientes de segregación bajos para muchos metales.

• Fácilmente dopado tipo-p y tipo-n.

• Parte sustancial de una industria microelectrónica de 140.000.000.000 $.

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SILICIO MONO- Y MULTICRISTALINO:

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método CZ método FZ

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SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS (p-n) E INTRÍNSECOS:

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PROCESO DE FABRICACIÓN:

n-emisor

p-base

Lámina antirreflejanteMalla frontal

Contacto trasero

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ANTES DE LA UNIÓN:

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DESPUÉS DE LA UNIÓN:

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• Corriente de saturación constante.

• Ecuación característica:

i: corriente.i0: corriente de saturación.V: diferencia de potencial.q: carga del electrón.k: constante de Boltzman.T: temperatura (K).k·T (300 K) = 0,026 eV.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= 1kT

qV

s eii

UNIÓN POLARIZADA:

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COMPORTAMIENTO RECTIFICADOR:

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• Región de carga espacial

• Longitudes de difusión

• Eficiencia cuántica del fotodiodo:

R: reflectanciaξ: eficiencia generación pares e-h.α: coeficiente de absorción

[ ]deR αξη −−−= 1)1(

FOTODIODO:

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CONFIGURACIÓN BÁSICA DEL FOTODIODO:

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CARACTERÍSTICA I-V CON LUZ:

• Ecuación característica:

• Fotocorriente: ip = q·A·G·( Le + W + Lh )

pkT

qV

s ieii −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= 1

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• Valor del gap fundamental para captar la mayor cantidad de radiación solar

• Parámetros principales•-corriente de cortocircuito Isc = iL

-voltaje de circuito abierto:

-factor de llenado:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 1ln

s

Loc i

iq

kTV

scoc

mpmp

IVIV

FF··

=

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• Potencia de salida: área del rectángulo.

• Factor de llenado: grado de cuadratura de la curva I-V en el IV-cuadrante.

• Factor de idealidad n:

• Punto de máxima potencia: área máxima.

LnkT

qV

s ieii −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= 1

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Relación empírica (sin resistencias parásitas):

Eficiencia de conversión de energía:

BP-SOLAR: 17%

10;;1

)72.0ln(>=

++−

= ococ

ococ

ococ vq

nkTVv

vvvFF

in

scoc

in

mpmp

PFFIV

PIV ···

==η

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EFECTO DE RESISTENCIAS PARÁSITAS:

• Contribuyen a reducir el factorde llenado.

•Circuito equivalente:

• La resistencia serie (Rs) la componen:• resistencia volúmica del semiconductor.• contactos metálicos e interconexiones.• resistencia e contacto entre el metal y el semiconductor.

• La resistencia de deriva (Rsh) la componen:• defectos en la unión e impurezas que la cortocircuitan parcialmente.

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Efecto de la resistencia serie y de la resistencia de deriva sobre el factor de llenado:

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PÉRDIDAS DE EFICIENCIA:

• Pérdidas ópticas.

• (1) Bloqueo de la luz por los contactos metálicos superiores.

• (2) Reflexiones superficiales.

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Formas de reducir las pérdidas ópticas (1):

• Minimizar el contacto eléctrico superior (aunque aumentaría la resistencia serie).

• Láminas antirreflejantes de cuarto de onda.

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Formas de reducir las pérdidas ópticas (2):

• Procesos de texturización superficial.

• Aumentar la reflectancia de la cara interior trasera de la célula.