Dominican Republic| Nov-16 | Celdas Solares

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Dr. Arturo Fernández Madrigal Instituto de Energías Renovables –UNAM [email protected] Tel +52-5556229705 Taller Regional: Fuentes de energía sostenibles para el desarrollo rural y la resiliencia de comunidades en Centroamérica, el Caribe y México Noviembre 16-18,2016

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Dr. Arturo Fernández Madrigal

Instituto de Energías Renovables –UNAM

[email protected]

Tel +52-5556229705

Taller Regional: Fuentes de energía sostenibles para el desarrollo

rural y la resiliencia de comunidades en Centroamérica, el Caribe y México Noviembre 16-18,2016

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• De la población de 112 millones de personas en Mexico, el 97% tienen acceso a la red eléctrica de la CFE

• 3.5 millones de personas no tiene acceso a la red electrica

• A partir del año 1955 se ha invertido la población rural a la población urbana de 70:30 a 30:70.

• Como resultado se ha provocado el abandono de los campos agrícolas y se a causado trastornos en el desarrollo urbano.

• Para el rescate de las zonas rurales es necesario proveer energía eléctrica, con el propósito de mejorar el sector agropecuario: irrigación, preparación de las tierras y fertilización; sector doméstico: iluminación, elaboración, preparación y conservación de los alimentoso; sector de la industria y los servicios comerciales rurales: iluminaciónel propósito de poder extraer el agua de los pozos, expandir la agricultura, proveer servicios de salud; procesos industriales; - servicios comunales y sociales: bombeo de agua, refrigeración para los centros de salud; iluminación de las instalaciones comunales.

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El efecto fotovoltaico es el proceso a través del cual la radiación solar es convertida a electricidad. Los dispositivos en donde se lleva a cabo esta transformación se llaman celdas solares, la cual es la unidad mínima en donde se lleva a cabo dicha transformación. Es posible definir al "efecto fotovoltaico" como la generación de una fuerza electromotriz, cuyo producto es el efecto de la radiación ionizante en un material. Este efecto ocurre en materiales, en estado gaseoso, líquidos y sólidos. Es en los sólidos, y particularmente en algunos materiales del tipo semiconductores en donde es posible obtener eficiencias aceptables de conversión de energía solar a energía eléctrica.

Principio de funcionamiento

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Unión

p-n

Celda Solar

• La estructura básica de una celda solar es la unión p-n.

• Al recibir la radiación solar en forma de fotones, una parte de ella será absorbida por algunos electrones de valencia en ambos semiconductores, creándose un electrón fotogenerado y por consecuencia dejando un hueco fotogenerado.

• Los portadores de carga fotogenerado viajan dentro de la estructura hacia la unión, bajo un gradiente de concentración.

• En la unión radica aparece un campo eléctrico externo que actúa sobre estos y los separa, (los electrones generados al lado n y a los huecos al lado p.

• La concentración de electrones fotogenerados en el lado n y de los huecos en el lado p, son los responsables que aparezca un fotovoltaje.

• Este fotovoltaje es el responsable de enviar al exterior a dichos portadores de carga, produciéndose una corriente IL, si se coloca una resistencia de carga en los

extremos de la celda solar.

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• Los principales parámetros

característicos de una estructura

fotovoltaica son:

• el voltaje del circuito abierto, VOC;

• la corriente a corto circuito, ISC;

• la corriente de saturación, I0;

• el voltaje máximo que origina la

potencia máxima,

• VM; la corriente máxima que

origina la potencia máxima,

• IM; la potencia máxima PM y

• FF, es el factor de llenado, el cual

representa la cuadratura de la

curva I-V (Fig.4) en términos de

ISC y VOC.

Una medición corriente-voltaje, es aquella

en la que se aplican una o más diferencias

de potencial (o voltajes) y se mide la

corriente I que pasa por el material o

dispositivo.

Parámetros característicos de una celda solar

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Las celdas solares se clasifican en: Primera generación: Son las celdas formadas por

dispositivos de homounión. Existen las del tipo mono y policristalinas de silicio, principalmente.

Segunda generación: Son las celdas formadas por heterouniones en forma de película delgada, depositadas en un substrato rígido o flexible. El rango de espesores de estas varia desde algunos nanómetros hasta decimas de micra.

Tercera generación: Denominadas también celdas solares emergentes. Representan innovaciones, basadas en compuestos orgánicos o inorgánicos. (celdas solares sensibilizadas, organicas, microesferas, etc.)

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Avances de celdas solares basadas en Silicio

Se trabajan en mejorar la produccion los procesos obtener

Si grado celda solar, encontrandose una mejora de 5 veces

que los metodos tradicionales.

Se explora como reducir costos de las tecnologias de fabricacion

de celda de diversos tipos de silicio (poli, mono y amorfo).

Se explora la posibilidad de utilizar al silicio poros para mejorar

las caracterisiticas fotovoltaicas.

Se esta desarrollando el silicio en forma de cinta, con espesores del

orden de 100 μm.

En silicio amorfo, es posible alanzar eficiencias entre 5-7%,

pero usando dobles o triples uniones es posible incremantarla a 8-10%.

Se estudia el desarrollo de variantes usando Carburo de Silicio amorfo

(a-SiC), Germanio silicio amorfo (a-SiGe), Silicio microcristalino (μc-Si),

Nitruro de silicio amorfo (a-SiN)

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Celdas solares de película

delgada

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Celdas Solares de película delgadas Entre las mas importantes desde el punto de

vista tecnológico y comercial se encuentran las siguientes:

Teluro de Cadmio (CdTe).

Diselenuro de cobre indio galio (CIGS).

Celdas solares sensibilizas (DSC).

Celdas solares orgánicas.

Películas delgas de silicio (TF-Si).

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Celdas solares de Película delgada Cu(In,Ga)Se2

ZnO

CdS

Cu(In,Ga)Se2

absorbedor

Sustrato

Contacto

superiorZnO:Al

Contacto

inferiorMo

3 mm

1 µm

1- 3 µm

50 nm

80 nm

500 nm

Radiación

MoSe2 50 nm

celdas solares con eficiencia de 20,8 %

Utilizando evaporación reactiva .

Mo

CIGS

ZnO:Al

CdS

ZnO

Mo

CIGS

ZnO:Al

CdS

ZnO

(a) (b)

Celda Solar con eficiencia del 2.1% elaborada

por la tecnica del electrodeposito

0 100 200 300 400 500 600

-30

-20

-10

0

CIGS por evaporación

Irradiancia = 1 000 W/m2

Área de la celda = 0,237 cm2

Vca = 573 mV

Jcc = 32,03 mA/cm2

FF= 0,533

9,78 %

CIGS por ED simultáneo

y selenización

Irradiancia = 1 000 W/m2

Área de la celda = 0,21 cm2

Vca = 354 mV

Jcc = 27,9 mA/cm2

FF= 0,287

2,83 %

CIGS por evaporación,

De

nsid

ad

de

co

rrie

nte

(m

A/c

m2)

Voltaje (mV)

CIGS por ED simultáneo

y selenización

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Celdas solares de Sulfuro de Antimonio

configurations of solar cells prepared by thermal

evaporation

Diego Pérez-Martínez, José Diego Gonzaga-Sánchez, Fabiola De Bray-Sánchez, Geovanni Vázquez-García, José Escorcia-

García, M. T. S. Nair, and P. K. Nair*. (2016). Simple solar cells of 3.5% efficiency with antimony sulfide-selenide thin

films. P hys. Status Solidi RRL, 10(5), 388–396.

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Celdas Solares de Sulfuro de Estano

15

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Jsc: 6.23 mA/cm2

Voc: 0.470 V

FF: 0.44

: 1.28 %

Area: 1 cm2

J (

mA

/cm

2)

V (V)

SnS-CUB (550 nm)

ZnO:Al (450 nm)

Ag

Iluminación

S.S. (HCl) 0.61 mm

ZnO (180 nm)

CdS (50 nm)

400 500 600 700 8000

10

20

30

40

50

ZnO

Eg=3.2 eV

CdS

Eg=2.5 eV

SnS-T

SnS

Eg=1.74 eV

(nm)

EQ

E (

%)

ZnO-T

CdS-T

0

25

50

75

100

T (

%)

Large cubic structure (64 atoms)

• SnS by Chemical bath deposition

(CBD) • Band gap 1.77 eV • p-type conductividy 10-6 -1 cm-1

• The product measuremetn of thin films Cub-SnS is 2x10-7 cm2 V-1. A. R. Garcia-Angelmo, et al Phys. Status Solidi A 212, 2332 (2015).

R. E. Abutbul, Ana Rosa Garcia-Angelmo, et al, CrystEngComm,18, 5188 (2016)

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Celdas solares Sensibilizadas con colorantes (DSSC)

Curva I-V para celda solar usando

pasta comercial de titanio

nanoporoso

Curva I-V para celda solar unsando pasta

comercial Dyesol™

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Celdas solares hibridas

Heterouniones (a) Planar, (b) bulto, (c) Mezcla de naoparticulas dispersas, (d) Capa rugosa

Diversos polimeros

Conductores

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Grupo de Celdas Solares Híbridas

Materiales orgánicos e

inorgánicos:

- Polímeros conductores

- Sulfuros y óxidos

metálicos

- Perovskitas Métodos de síntesis y

depósito:

- Baño químico

- Microondas

- Spin-coating

- Evaporación

Algunos trabajos representativos - Hernández-Granados, A. et al., “Sb2(SxSe1-x)3 sensitized solar cells prepared by solution deposition

methods”, Mat. Sci. Semicon. Proc. 2016, 56, 222-227.

- Moreno-Romero, P. M. et al., “Study of potential inhibitors to limit degradation of organometallic

halides perovskites”, 2015 Materials Research Society (MRS) Fall Meeting & Exhibit, Boston, MA,

USA.

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Sin TiO2 mp

Jsc

= 1.69 mA/cm2

Voc

= 0.941 V

FF= 0.564

= 0.897%

V (V)

J (m

A/c

m2)

Con TiO2 mp

Jsc

= 17.84 mA/cm2

Voc

= 0.935 V

FF= 0.367

= 6.12%

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Con permiso del Miguel Contreras, NREL-2009

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Gracias