Eficiencia cuántica y respuesta espectral (José Campos-Yasuhiro Matsumoto)

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 Introducción: La producción mundial de módulos y celdas foto voltaica s, alcanza más de 10,000 MW/año , suficiente cantidad para alimentar a 3 millones de casas. Mediante la evolución tecnológica, se ha logrado bajar costo de las celdas y módulos FV con cada vez mejores eficiencias de conversión y confiabilidad. En la actualidad, existen una variedad de celdas solares, tipo volumétricas, de películas delgadas, de materiales compuestos o de nuevas generaciones. La diversificación continúa en diferen tes continentes mediante tecnologías diversas para su producción. T écnicas para la evaluación de celdas solares (norma IEC, JIS, UL) Por: Jose Campos, Yasuhiro Matsumoto

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Introducción:•La producción mundial de módulos y celdas fotovoltaicas, alcanzamás de 10,000 MW/año, suficiente cantidad para alimentar a 3millones de casas.

•Mediante la evolución tecnológica, se ha logrado bajar costo delas celdas y módulos FV con cada vez mejores eficiencias deconversión y confiabilidad.

•En la actualidad, existen una variedad de celdas solares, tipo

volumétricas, de películas delgadas, de materiales compuestos ode nuevas generaciones.

•La diversificación continúa en diferentes continentes mediantetecnologías diversas para su producción.

Técnicas para la evaluación de

celdas solares (norma IEC, JIS, UL)

Por: Jose Campos, Yasuhiro Matsumoto

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Necesario conocer en forma precisa el funcionamiento de losdispositivos FV según estructura y materiales mediante normasestablecidas.

Tendencias internacionales de evaluación:

•Técnicas para características corriente-voltaje•Evaluación del simulador solar

•Técnicas para respuesta espectral•Técnicas de evaluación a la dependencia lumínica-espectral•Evaluación mediante corrección de parámetros: temperatura,nivel de iluminación, relación de potencia y energíaPara la evaluación, se debe considerar los siguientes cuidados:•Es importante evaluar de forma precisa la potencia•Una evaluación precisa, requiere de tecnologías de alto nivel•Se requiere una consistencia internacional

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Tipo de celdas solares

Celda Solar

Silicio

Comp. III-V

Comp. II-VI

Otros comp.

Si-monocristalino ········ Gran escala de producción

Si-multicristalino ······· ·Gran escala de producción

Si-microcrist (p.delg.) ········ Pequeña escala de producción

Si-amorfo (p. delgada) ······· Mediana escala de producción

GaAs ········ Espacial, concentración

InP ········ Espacial

CdTe, CdS ·· Mediana escala de Producción

CuInSe2CuInGaSe2 , CuInS2

·· · Pequña escala de producción

otros Tintes / Orgánico ········ I&D Producción piloto

Si-esférico ········ I&D o Producción piloto

Si-listón ······· ·Mediana escala de producción

 

Su estado de 

comercialización 

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Medir una CS, o un módulo FV de forma precisa, no es trivial

Diversas CS:CdTe/CdS, CIGS, Dye sensitize (tintes) y polímeros:

•Características adicionales en la dependencia a la temperatura,iluminación, estabilidad a través del tiempo, etc.

Funcionamiento de los módulos FV:•Depende del sitio a donde se instale, las condiciones climáticas alo largo del año, etc.

Por lo tanto, se requiere una evaluación cada vez másconsistentes a niveles Internacionales.

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Principales elementos para caracterizar

Al medir una CS bajo luz artificial (simulador solar), se consideran:

•Fuente de luz (simulador solar) equipo y calibración•Medición de la luz (Intensidad, espectro de irradiación,uniformidad espacial-temporal)•Respuesta espectral•Características I-V•Material que compone la CS y la dependencia estructuralLa condición estándar de medición; STC (por sus siglas en inglés):•Intensidad = 1kW/m2

•Espectro Masa de aire AM1.5G

•Temperatura (CS) de 25°CMientras que la precisión de la medición I-V se sitúa entre +/-0.1%, la dispersión de la intensidad-irradiativa, pueda variar entre+/- 1        ̴ 5% (a excepción de fuentes muy especiales)

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SimuladorSolar

Medición de laRespuesta espec tral

Medición I-V,corrección

InterpretaciónFuncionamiento

Celdasolar

Medición y controlde Temperatura

Medición dela irradiación

Celda deReferencia

AjusteIrradiac ión

Fig 2 Componentes del equipo paramedir característica I-V

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Respuesta espectral Espectro-radiámetro absoluta Simulador solar

 

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Mediciones de intensidad y ajuste:

•Ajuste de la intensidad mediante una celda calibrada• Medición de la iluminación absoluta

• Celdas calibradas (según estructura y materiales) para unaevaluación congruente con su respuesta espectral• Medición mediante simuladores solares

• Uso celda calibrada de segundo grado

1. Órgano certificador de cada país, o laboratoriosinternacionales proporcionan celdas calibradas

2. Uso de espectro-radiómetro para calibrar el simulador solar3. Uso de Bulbo de emisión estándar (fuente de radiación)

 

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La estandarización internacional:

Laboratorios nacionales•Alemania: PTB (Physikalisch Technishe Bundesanstalt);Calibración de la celda primaria mediante respuestaespectral absoluta.•EU-JRC Ispra ESTI (European Solar Test Installation), NREL(National Renewable Energy Lab); Calibración de la celdaprimaria mediante irradiación absoluta, uso de la radiaciónsolar natural.•JET (Japón), TUV (Alemania), ASU (Arizona State Univ.)

medición-prueba de módulos FV como negocio.•Calibración de celdas secundarias: Fraunhofer ISE (Instituteof Solar Energy)

 

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Algunas normas IEC (Interntional Electrotechnical Commission):

IEC 60891 Procedimiento corrección de temperatura e irradiancia para

medir I-V en c-SiIEC 0904-1 Medición I-VIEC 60904-2 Requerimientos para la celda de referenciaIEC 60904-3 Principios de medición celdas terrestres con dato de

irradiancia espectral

IEC 60904-5 Determinación temperatura equivalente en VocIEC 60904-6 Requerimientos para el módulo de referenciaIEC 60904-7 Cálculo error del desacople espectral introducidoIEC 60904-8 Medición de la respuesta espectralIEC 60904-9 Requisitos para el funcionamiento del simulador solarIEC 60904-10 Métodos de medición lineal

IEC 61215 Aprobación de tipo y diseño de módulos FV terrestres de c-SiIEC 61730-1 Evaluación seguridad de módulos FV: req. para construcciónIEC 61730-2 Evaluación seguridad de módulos FV: req. para prueba

 

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Evaluación de C.S. bajo diversas condiciones (Rango espectral):

•c-Si: 0.35 ~ 1.2µm•a-Si; µc-Si de 0.35~ 0.8µm; 1.1µm•CIGS: 0.35 ~ 1.3µm

La dependencia de temperatura en la eficiencia de conversión varíaentre -0.3% ~ -0.5%/°C

Las dependencias son la irradiancia, la temperatura y el espectro.

Evaluación de las características I-V:Voc, Isc, Pmax, Rs, Rsh Mediciones a base de las normas

Fig. Efecto de la temperatura en la curva I-V

 

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I

I sc

Obscuridad

Iluminación

100 mW/cm2

Pmax

Voc

V

Voltaje y corriente STC (AM1.5, 100mW/cm2, 25°C)

Se requieren celdas calibradas con diferentes respuestas espectralespara una medición más precisa reducir errores durante la medición.

Fig. 4. Curva I-V. Fig. 5. Efecto de la resistencia en serie.

 

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Fig. 6 Celda solar de referencia(primaria o secundria)

SimuladorSolar

MonitorIrradiancia

MediciónI - V

V I+ +

V I --

4 puntas

MediciónIrradiancia

Distribuciónespectral

Celda dereferencia

Mascarilla

Mesa de medición

Control de Temperatura

C.S.

 

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Evitar auto-reflexion de los equipos y accesorios.•Probadores, superficie de bases, lentes, muestras,etc.(minimizar)•Iluminación exterior (100 lx)   ̴ 0.1% de efecto.•Uniformidad espacial, +/- 2% los mejores (establecer el área) IEC60904-9

1.Mediciones en áreas diminutas para detectar desuniformidades2.Mediciones unitarias en las posiciones de las CS (caso móduloFV)3.Mediciones con rotaciones horizontales en sus posición

•Estabilidad de la irradiancia: Variaciones en el rango desdemilisegundos a varias horas de irradiación

 

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Parámetros eléctricos•Las precisiones de corriente y voltaje, según IEC 60904-1 esde +/- 0.5%, pero desde 2006, el IEC 60904-1 Ed.2 estableció+/- 0.2%.•Usar convertidores A/D de menor dependencia temporal,fuentes bipolares con la capacidad de absorber potencia (sink)

o cargas electrónicas.Es preferible lograr mediciones en los cuadrantes de voltaje ocorrientes negativos (Fig.4), con la posibilidad de extraer losparámetros como Rs y Rsh.

Es también preferible utilizar equipo de medición I-V conbarridos en ambas direcciones y variación de su velocidad.

 

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Contacto eléctrico a 4 puntos

Evitar introducir errores de medición por los mismos equipos de

caracterización.

Se ocupan cables separados de I y V (conexión tipo Kelvin),importante para CS de grandes amperajes.CS tipo c-Si con 15 cm por lado, Imax=7A, Vmax=0.5V,

Con Rs=1mΩ, induce una caída de voltaje del 1.4% del Vmax.Las puntas y cables de prueba, normalmente es de unos mΩ a

decenas de mΩ.

V

I

V

I

V

I

 

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Otras consideraciones de importancia:Dependencia de temperatura (tanto para la CS de referencia como CS a medir)Pmax y Vmax varía de -0.2 ~ -0.5%/ °C,Isc de +0.05 ~ 0.08%/ °C.

Es necesario evitar incremento de T °C con la irradiancia.Luego de irradiar la CS, el incremento es de aproximadamente 1 °C en untiempo de un segundo.Simuladores solares de irradiación continua, usar obturador mecánico.Para la detección de la temperatura, se ocupan normalmente termopares de

Platina (RTD) cuya resolución es de +/- 0.2°C.

 

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Delimitación de área para las mediciones (uso máscaras)

1) Área total, incluye al sustrato o el marco del módulo FV.2) Área de apertura, selección de un área menor al de sustrato, peroestá incluido los contactos eléctricos como los dedos, reja o elcolector principal de la C.S.3) Área de iluminación designada, cuando los componentesprincipales de la C.S. no son incluidas, tales como en los caso deconcentración solar.

 

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La Respuesta espectral (SR):

Es la dependencia de la potencia de salida de la CS en función de la longitudde onda de la luz incidente.

La respuesta espectral tiene la unidad A/W (Amper/ Watt) y la eficienciacuántica se expresa en forma a dimensional.Cuando integramos el espectro incidente a través de la longitud de onda(por unidad de área por unidad de longitud de onda: Wm-2mm-1), lamedición se convierte en corriente de la CS.

Por otro lado, la eficiencia cuántica indica la cantidad de electrones re-colectadas por cada fotón incidente y se ocupa para un mejor diseño o parala interpretación de los mismos dispositivos. Se tiene la siguiente relaciónentre la respuesta espectral (SR) y la eficiencia cuántica (QE):

QE=SRx SRx , donde h = constante de Plank; c = velocidad de luz;q = carga electrónica y l = longitud de onda (en nm).

 

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300 500 700 900 1100

   R  e  s  p  u  e  s   t  a   E  s  p  e  c   t  r  a   l   R  e   l  a   t   i  v  a   A   /   W

C

B

A

Longitud de Onda (nm)

Fundamento medición de la respuesta espectral:

•Equipo de medición: Conocer la corriente generada de la CS bajo incidencia de la luzmonocromática.Para luz monocromática: la lámpara de Xe, y lámpara de halógeno.Se obtiene luz monocromática luz fuente mediante monocromador o fitros pasa-banda.

Luz monocromática se modula normalmente con “chopper”.El ancho del pulso FWHM de la luz monocromática de 5 ~ 25 nm.La luz de polarización (100mW/cm2) es un elemento necesario. Debido a que la luzmonocromática es de pequeña intensidad (10mW/cm2 ~ 1mW/cm2), se extrae larespuesta (corriente) mediante el uso de un amplificador lock-in.

 

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Corrección desacople espectralSe puede reducir la diferencia de desacople espectral mediantecelda de referencia y la calibración de los simuladores solares

La influencia del desacople espectral entre una CS calibrada aun espectro del simulador solar y la respuesta espectral de unaCS a medir, se relaciona como:

Isc,s=Isc,m×

donde:Isc,s=Isc bajo radiación solar estándar

Isc,m=Isc bajo simulador solar

Φs = Irradiancia espectral relativa, CS de referencia

Φ m 

= Irradiancia espectral relativa, simulador solar

Qr= Sensibilidad espectral relativa, CS estándar

Qm= Sensibilidad espectral relativa, CS a medir

CV = Isc corregido CS de referencia

Isc,m,rc= Isc medido CS de referencia

-------------- (1)

En condiciones normales para

hacer que Isc,m,rc= CV seajusta el simulador solar,entonces (1) se puede escribir:

Isc,s=Isc,m× --- (2)

 

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Para medir correctamente Isc de la CS bajo irradiación solar estándar, setiene las siguientes tres posibilidades.

a) Utilizar un simulador solar que irradie un espectro acorde al de laradiación solar estándar. (Si Φs= Φm  la ecuación (2) queda Isc,s=Isc,m)

b) Ajustar el simulador solar mediante una CS de referencia que tengasemejanza espectral al de la CS a medir. (Si Qr=Qm, la ec. (2) quedaIsc,s=Isc,m )

c) En adición a las condiciones a) y b), conociendo con precisión lairradiancia espectral del simulador solar, así como las respuestasespectrales de las CS de referencia y la CS a medir, realizar la corrección dela corriente Isc (corrección del desacople espectral).

Los estándares JIS, IEC contemplan las 3 posibilidades anteriores.

  

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Simuladores solares:Fuente de irradiación para las mediciones I-V de las celdas solares (CS)Simulador solar es equivalente a igualar la irradiancia y el espectro al

sol (para mediciones interiores)Se requiere: Uniformidad-espacial y -temporalUtilizan lámparas Xe (6000 °K) de arco, con filtros ópticos y lentesintegradores

    e      l    e

    v    a    c      i     ó

    n

    e      l    e

    v    a    c      i     ó

    n

Fig. 10. Espectro solar ASTM G173-03 Reference Spectra (280 a 4,000nm ; 0.5nm)

http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/ASTMG173/ASTMG173.html 

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Fig. 11. Bombilla olámpara de Xenón

•Iluminación continua:

•para celdas dye-sensitize, con un mayor tiempo de barrido•para efecto de degradación bajo iluminación•Pulsado:•Simuladores que irradia con pulsos de 1 ms a 1 s.•Se consideran largo los pulsos entre 0.1 a 1 s. Existen fuentes para un solo pulsoo de varias pulsaciones para medir•Se considera casi nula la temperatura inducida•Comercialmente hay fuentes tipo “Flash” con diferentes formas y longitudes de

pulso con su espectro.•Se ocupa únicamente lámpara de Xenón y mediante filtros ópticos se ajusta elespectro con el control del flujo incidente.

Simuladores solares:

 

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Tabla 1: ASTM especificación

Clasificac

ión

Acople

espectral

(cada

intervalo)

Irradiancia

Uniformida

d

No-espacial

Irradiancia

Inestabilidad

temporal

Clase A 0.75 - 1.25 2% 2%

Clase B 0.6 - 1.4 5% 5%

Clase C 0.4 - 2.0 10% 10%

•de espectro variable:Normalmente el espectro de los simuladores son fijos y no pueden variar, sin embargocontemplando las necesidades tales como celdas solares tipo multi-unión existe

desarrollos de simuladores de espectro variable.El rango espectral a ajustar, son muy cercanos al espectro base AM1.5•Se ocupan ambas lámparas de Xenón y de halógeno. Mediante espejos reflectores, seajusta el espectro para longitudes cortas (Xe) y el halógeno para longitudes largas.

Simuladores solares:

 

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FILTRO

Lenteintegrador

EspejodicroicoEspejo

LámparaHalógeno850-1100 nm

LámparaHalógeno750-850 nm

LámparaXe350-750 nm

Celda solar

Simulador Solar con variación espectral

ASTM E927-05 norma de especificación para simuladores solares para

medición fotovoltaica. La luz del simulador se colecta en tres dimensiones:

1.Contenido espectral

2.Uniformidad espacial3.Estabilidad temporal

 

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Area de irradiación

Módulo FV

Movimiento en lamesa de medición

1.005

1

0.995

0

Tiempo (horas)

1 2 3 4 5 6

Total

   I  r  r  a   d   i  a

  n  c   i  a   (  u .  a .   ) Xe

1.00

1

0.996

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Tiempo (mseg)

   I  r  r  a   d   i  a  n

  c   i  a

   (  u .  a .   )

 

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Preguntas?

 

Exigencias para el simulador solar:

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Exigencias para el simulador solar:•Espectro de irradiancia: sol= presión atm., vapor de agua, partículas susp.,elevación, albedo, reflección nubes, (Directa-difusa: Global)•Uniformidad espacial•Estabilidad temporal:

1)puede variar su intensidad en el rango de micro a mili segundos (se puedecorregir mediante software)2)pude variar en el rango de horas durante el día

•Estándares de los simuladores: JIS-C8912 (c-Si), C8933 (a-Si), y IEC60904-91)En general, las dispersiones espaciales o las variaciones temporales deben

de ser menores a +/- 1% ~ 3%2)Se debe de tener en consideración que el uso del simulador degrada en suscomponentes con el tiempo-uso. Por lo que con un espetroradiómetro sedeba de revisar con cierta periodicidad

•Cuidados, seguridad en el manejo:

1)Elevada temperatura alrededor de la fuente de iluminación2)El intervalo espacial entre la fuente de emisión y hasta la superficie ailuminar, se compone de irradiación mas densa que la solar.3)Cuidados del manejo del bulbo (Xe) esta bajo alta presión4)Aislar perfectamente el módulo a medir. Fluyen corrientes de considerablevalor.

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ESPECTRORADIÓMETRO PARA MEDIDA DEL ESPECTRO DE LA RADIACIÓN SOLARDIRECTA.ESPECIFICACIONES TÉCNICAS:Rango espectral: 300-1700 nmResolution: 1 nm entre 300 nm y 400 nm,5 nm entre 401 nm y 1100 nm y,20 nm entre 1100 nm y 1700 nm.Sensibilidad: entorno a 1 uW/m2·nm.Stray light: menor a 5 x 10-4.Filtros: rueda de filtros monitorizada y filtros de corte (cut-off).

Tiempo de medición: menores o iguales a 15 segundos.Sonda dedicada: resistente a la intemperie con un Filed of View inferior o iguala 5 ºSofware dedicado: SW en entorno Windows para adquisición, análisisespectral y ajuste a demanda.Software de medida automática y continua: obligatorio

Caja de intemperie con temperatura estabilizada: obligatorioCalibración: en las instalaciones del proveedor con un 5% de precisiónespectroradiométrica.Contemple actualización futura para medida del espectro radiación solarglobal: obligatorio (sin perder calibración).Contemple futura extensión del rango espectral a medir: obligatorio hasta

2500 nm