Clula, panel y generador F.V.1.1. Principio fotovoltaico 1.2. Ley del diodo ideal. 1.3. Curva caracterstica del diodo. 1.4. La clula F.V y su smbolo. 1.5. Ecuacin caracterstica de la clula F.V. 1.6. Modelo ideal de la clula F.V.. 1.7. Curva caracterstica v x i de la clula F.V. 1.8. Eficiencia y limitaciones de la clula F.V.. 1.9. Factor de forma (FF) de la clula F.V. 1.10. Respuesta espectral de la celda F.V. 1.11. Factores que afectan el rendimiento de una clula F.V. 1.12. Circuito equivalente de la clula F.V. (real)

Clula, panel y generador F.V.1.13. Fabricacin de clulas solares 1.14. Tipos de clulas solares

1.15. El panel (mdulo) solar 1.16. Curva caracterstica del panel solar 1.17. Parmetros caractersticos del panel solar 1.18. El generador solar 1.19. Efecto de factores ambientales sobre las caractersticas del panel/generador solar 1.20. Punto de trabajo de un panel/generador fotovoltaico 1.21. Diodos de proteccin: by-pass, bloqueo y antirretorno 1.22. Factor de degradacin () de los paneles solares. 1.23 Temperatura de trabajo y potencia de un panel F.V. 1.24. Situacin de la Energa Solar Fotovoltaica (2004)

1.1. Principio fotovoltaicoPrincipio de funcionamiento de la celda solar

Las clulas solares estn constituidas por materiales semiconductores, principalmente silicio, y son elementos que transforman directamente parte de la energa solar que reciben en energa elctrica. Los electrones de valencia del material semiconductor de la clula, que estn ligados dbilmente al ncleo de sus tomos, son arrancados por la energa de los fotones de la radiacin solar que inciden sobre ella. Este fenmeno se denomina efecto fotovoltaico.

1.1. Principio fotovoltaicoPrincipio de funcionamiento de la celda solar

El proceso del principio fsico de la celda solar se puede resumir en los siguientes pasos: Los fotones incidentes son absorbidos y se generan pares electrn-hueco, tanto en la regin P de la unin como en la regin N. Supondremos que se genera una pareja por fotn. Los electrones y huecos generados a una distancia inferior a Lp o Ln (longitud de difusin del hueco y electrn) de la zona de vaciamiento, llegan a ella por difusin. En la zona de vaciamiento, cada miembro de la pareja es separado por el campo elctrico presente: los huecos se dirigen a la regin P y los electrones a la regin N.

1.1. Principio fotovoltaicoSeparacin de portadores por el campo de la unin P-N P-

Zona de vaciamiento Azul Rojo Infrarrojo

+

N

EP

-

+

-

+

1.1. Principio fotovoltaicoCelda en circuito abierto Si la celda est en circuito abierto, la acumulacin de cargas de signos diferentes en los 2 costados de la unin genera una tensin de circuito abierto Voc

VocN P

+

1.1. Principio fotovoltaicoCelda en corto circuito Si la celda est cortocircuitada se genera una corriente de corto circuito Isc. Observar que el sentido de la corriente es el mismo que el de la corriente inversa de saturacin.

N P

Isc

1.1. Principio fotovoltaicoIntensidad de corriente de la celda Por tanto, si mediante una carga exterior (R) se cierra el circuito, la corriente fotovoltaica generada (I) sale de la clula hacia el circuito exterior por la regin P, atraviesa la carga y entra de nuevo a la clula por la regin N.

N P

R +I

1.2. Ley del diodo idealSi se aplica una tensin directa a la unin p-n, el campo elctrico se reduce y no se puede parar el flujo de electrones y huecos. Es entonces cuando se produce una corriente. El flujo de corriente aumenta con la tensin externa aplicada, este fenmeno es conocido como la ley del diodo ideal, que se puede expresar por:Is :corriente de saturacin deoscuridad

I = I S e

qV kT

1

V: tensin aplicada. q: carga de electrn (1,6 x 10-19 C) K: constante de Boltzmam: K= 1,3810-23 J/K

x

T: temperatura absoluta. kT/q: potencial trmico VT (para elsilicio a 25C es igual a 25,7 mv)

1.3. Curva caracterstica del diodoSi graficamos la expresin del diodo se obtiene la curva caracterstica I x V que sigue:I

VD 0,7 V

SmboloV A (+) K (-)

VD

V

I

1.4. La clula F.V. y su smboloLa clula solar se puede ver como un diodo, en general de silicio, diseada para maximizar la absorcin de fotones y minimizar la reflexin. Cuando se conecta una clula solar a una resistencia de carga y se ilumina, circula una corriente I. En este caso, se puede observar que en la clula la corriente circula de ctodo a nodo, es decir, internamente circula del semiconductor tipo N al tipo P (contrario al sentido de un diodo).

I + V R

Smbolo de la celda o de un panel solar+ I

-

1.5. Ecuacin caracterstica de la clula F.V.La iluminacin de una clula aade una corriente (fotogenerada) a la curva caracterstica IV de modo que su ecuacin caracterstica se puede expresar por:

mVV I = I S e . T 1 I L Dnde IL es la corriente fotogenerada (generada por el efecto fotovoltaico)

I

VIL

La incidencia de la luz tiene el efecto de mover la curva I-V hacia abajo, en el 4 cuadrante.

1.6. Modelo ideal de la clula F.V.El modelo o circuito equivalente ideal de una clula fotovoltaica se representa por una fuente de corriente en paralelo con un diodo. La siguiente figura muestra el modelo ideal de una clula fotovoltaica cuando se conecta a una resistencia de carga:

I + IL V R

1.7. Curva caracterstica I-V de la clula F.V. IPor tanto, la curva I-V caracterstica quedara:

IL Isc

I

IL corriente fotogenerada

Pm

Voc

V

Para tener una idea del orden de magnitud, se puede decir que una clula fotovoltaica de silicio monocristalino genera un voltaje de circuito abierto (Voc) entorno a los 0,7 V y una corriente de corto circuito (Isc) que depende del rea de la clula (aproximadamente 3 A para un rea de 100 cm2).

1.8. Eficiencia y limitaciones de la clula F.V.Se define el rendimiento o eficiencia () de una clula solar como el cociente entre la potencia mxima que puede dar a la carga y la potencia luminosa recibida por la clula.

=

Vmp I mp PL

PL: potencia luminosa recibida por la celda.

1.9. Factor de forma de la clula F.V.Otra relacin importante es el factor de forma o de relleno, FF. Este factor se define como el cociente entre la potencia mxima que la clula solar puede dar a la carga y la potencia terica mxima definida por el punto (Isc, Voc): Es una medida de la calidad de la unin y de la resistencia serie de la clula. Cuanto mayor es este factor, cuanto ms prximo a 1, la caracterstica I-V con iluminacin se aproxima ms al rectngulo de mxima potencia terica y, por tanto, la clula es de mayor calidad.

FF =

Vmp Imp Voc I sc

1.10. Respuesta espectral de la clula solarSe refiere a cuanta energa es capaz de suministrar cada longitud de onda () o color de la luz incidente. Se puede calcular como:

SR ( ) =

q flujo _ electrnico

hc

flujo _ fotones

q = eficiencia _ cuntica hc

Donde q es la carga del electrn, h es la constante de Planck (h = 6,626 . 10 34 J . s) y c es la velocidad de la onda. Eficiencia cuntica: se define como el nmero de electrones que se mueven de la banda de valencia a la de conduccin por fotn incidente.

1.10. Respuesta espectral de la clula solarLa fuerte dependencia de la respuesta espectral con la longitud de onda hace que el rendimiento de la clula dependa fuertemente del contenido espectral de la radiacin incidente. Las clulas fotovoltaicas ven la luz solar de diferentes modos, dependiendo de los materiales de los que estn formadas. La respuesta espectral de una clula F.V. es una medida de la respuesta (medida en forma de corriente generada) de un dispositivo fotovoltaico expuesto a la luz solar. Un dispositivo F.V. es tanto mejor cuanto mejor respuesta espectral posee, esto es, el que mejor adapte su curva de respuesta espectral al espectro de la radiacin solar.

1.11. Factores que afectan el rendimiento de una clula fotovoltaicaEl rendimiento de una clula viene limitado por distintos factores intrnsecos y de diseo. Estos son: Energa de los fotones incidentes: para generar los parese--h+ es necesario que los fotones que llegan a la clula tengan una determinada energa. En la radiacin solar, una parte de los fotones incidentes no tienen energa, por lo que se pierden, y otros tienen una energa mayor, por lo que se pierde ese exceso. Un 50% de la energa incidente se pierde por ste motivo. Est relacionado con la SR de la celda.

Prdidas por recombinacin: el proceso derecombinacin depende de los defectos de la estructura cristalina del semiconductor, cuanto ms puro sea (silicio monocristalino), stas prdidas sern menores (+ o un 15%)

1.11. Factores que afectan el rendimiento de una clula fotovoltaica Prdidas por reflexin parcial: Parte de la luz que incidesobre la clula es reflejada por la superficie de esta, por lo que se pierde (se perdera un 30%). Para evitar esta prdida en la fabricacin de las clulas se emplean capas antirreflectantes y superficies rugosas (con stas capas las prdidas quedan en aproximadamente 10%)

Prdidas por los contactos elctricos: El hecho de dotar ala clula solar de unos contactos que canalicen los electrones liberados hacia el circuito exterior, hace que parte de su superficie de captacin se vea tapada por esa rejilla de contactos elctricos, que no son transparentes y, en definitiva restan iluminacin. Las prdidas por ste concepto pueden evaluarse, como media, en un 8%, ya que dependen del diseo.

1.11. Factores que afectan el rendimiento de una clula fotovoltaica Prdidas por resistencia serie: Son debidas al efectoJoule que se produce al circular la corriente elctrica a travs del silicio, produciendo un calentamiento. Representan sobre el conjunto un 2% - 3%.

La suma de todas estas prdidas disminuye el rendimiento de la clula, lo que explica las diferencias que existen entre los rendimientos obtenidos en laboratorios y los de las clulas comerciales que resultan de los procesos industriales de fabricacin

1.12. Circuito equivalente de la clula F.V. (real) La clula con iluminacin se comporta como un generador de corriente (corriente fotovoltaica), con un diodo en paralelo para detraer la corriente de oscuridad y dos resistencias que representan las prdidas intrnsecas al diseo y al comportamiento de los materiales de la clula. La resistencia paralelo (Rp) es debida a la no idealidad de la unin PN y a las impurezas cerca de la unin+I VmV.rs V + I .r s I = I L I S e T 1 rp

I +

IL

ID Rp

Rs VG

-

1.13. Fabricacin de clulas Solares

1400 C

Reduccin con carbono Destilaciones de compuestos clorados de Si Contactos elctricos Mtodo Czochralsky o tcnicas de colado longitud 1 metro dimetro Creacin de la 20-200 mm unin p-n 800 100 C Decapado: eliminar polvo y virutas Texturizado: para darle ms absorcin Espesor: 0,32 mm (2003) 0,18 mm (2007) Objetivo; 0,15 mm (2010)

1.13. Fabricacin de clulas SolaresSlice (SiO2) Silicio grado metalrgico Pureza del 98% Silicio grado semiconductor Pureza del 99,9999% Crecimiento del monocristal (Mtodo Czochralsky) Corte de las obleas Tratamiento qumico de las obleas Formacin de la unin PN Capa antirreflectante Incorporacin de los contactos Pruebas finales

1.13. Fabricacin de clulas SolaresDe forma muy resumida, el proceso de fabricacin de una clula mono o policristalina se puede dividir en las siguientes fases:PRIMERA FASE: OBTENCIN DEL SILICIO A partir de las rocas ricas en cuarzo (rocas formadas principalmente por SiO2, muy abundantes en la naturaleza) y mediante el proceso de reduccin con carbono, se obtiene silicio con una pureza aproximada del 99%, que no resulta suficiente para usos electrnicos y que se suele denominar silicio de grado metalrgico.

1.13. Fabricacin de clulas SolaresLa industria de semiconductores purifica este silicio por procedimientos qumicos, normalmente destilaciones de compuestos clorados de silicio, hasta que la concentracin de impurezas es inferior a 0.2 partes por milln. El material as obtenido suele ser llamado silicio grado semiconductor y aunque tiene un grado de pureza superior al requerido en muchos casos por las clulas solares, ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para aplicaciones solares, representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del abastecimiento de las industrias de fabricacin de clulas.

1.13. Fabricacin de clulas SolaresSin embargo, para usos especficamente solares, son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de la tcnica de cristalizacin), concentraciones de impurezas del orden de una parte por milln. Al material de esta concentracin se le suele denominar silicio grado solar. Existen actualmente tres posibles procedimientos en distintas fases de experimentacin para la obtencin del silicio grado solar, que proporcionan un producto casi tan eficaz como el del grado semiconductor a un coste sensiblemente menor.

1.13. Fabricacin de clulas SolaresSEGUNDA FASE: CRISTALIZACIN Una vez fundido el silicio, se inicia la cristalizacin a partir de una semilla. Segn dicha semilla es extrada del silicio fundido, este se va solidificando de forma cristalina, resultando, si el tiempo es suficiente, en un monocristal. El procedimiento ms utilizado en la actualidad es el convencional por el mtodo Czochralsky, pudindose emplear tambin tcnicas de colado. El silicio cristalino as obtenido tiene forma de lingotes. Tambin se plantean otros mtodos capaces de producir directamente el silicio en lminas a partir de tcnicas basadas en la epitaxia, en crecimiento sobre soporte o cristalizacin a partir de Si mediante matrices.

1.13. Fabricacin de clulas SolaresLa diferencia principal en la obtencin de estructuras monocristalinas (con un nico frente de cristalizacin) y policristalinas (con varios frentes de cristalizacin, aunque con unas direcciones predominantes) radica en el grado de pureza del silicio durante el crecimiento / recristalizacin.TERCERA FASE: OBTENCIN DE OBLEAS

El proceso de corte tiene gran importancia en la produccin de las lminas obleas a partir del lingote, ya que supone una importante perdida de material (que puede alcanzar el 50%). El espesor de las obleas suele ser del orden de 2-4 mm.

1.13. Fabricacin de clulas SolaresCUARTA FASE: FABRICACIN DEL MODULO

Una vez obtenida la oblea, es necesario mejorar su superficie, que presenta irregularidades y defectos debidos al corte, adems de retirar de la misma los restos que puedan llevar (polvo, virutas), mediante el proceso denominado decapado. Con la oblea limpia, se procede al texturizado de la misma (siempre para clulas monocristalinas, ya que las clulas policristalinas no admiten este tipo de procesos), aprovechando las propiedades cristalinas del silicio para obtener una superficie que absorba con ms eficiencia la radiacin solar incidente.

1.13. Fabricacin de clulas SolaresPosteriormente se procede a la formacin de una unin PN mediante deposicin de distintos materiales (compuestos de fsforo para las partes N y compuestos de boro para las partes P, aunque normalmente, las obleas ya estn dopadas con boro), y su integracin en la estructura del silicio cristalino. El siguiente paso es la formacin de los contactos metlicos de la clula , en forma de rejilla en la cara iluminada por el sol, y continuo en la cara posterior. La formacin de los contactos en la cara iluminada se realiza mediante tcnicas serigrficas, empleando ms recientemente la tecnologa lser para obtener contactos de mejor calidad y rendimiento.

1.13. Fabricacin de clulas SolaresFabrica alemana de lingotes monocristalinos

1.14. Tipos de Clulas SolaresClulas de Silcio Silicio Monocristalino: presenta una estructuracompletamente ordenada, cuyo comportamiento uniforme lo convierte en ptimo semiconductor, pero de fabricacin onerosa. Es fcilmente reconocible por su monocromia azulada oscura y metlica

Silicio Policristalino: presenta una estructuraordenada por regiones separadas, en la que los enlaces irregulares de las fronteras cristalinas disminuyen el rendimiento de la clula, al limitar la fotocorriente. Su aspecto es una composicin de diferentes cristales azulados y grises metlicos

1.14. Tipos de Clulas Solares

Silicio Amorfo: difiere de las dems estructurascristalinas por presentar un alto grado de desorden en la estructura de los tomos, con lo cual contiene un gran nmero de defectos estructurales y de enlaces. Por presentar una respuesta espectral tirando ms para el azul, se muestran muy eficientes bajo iluminacin artificial (principalmente bajo lmparas fluorescentes) con eficiencia en este caso superior a la del silicio cristalino. Con respecto a las clulas cristalinas tienen un proceso de fabricacin ms simple y por tanto un coste muy inferior.

1.14. Tipos de Clulas Solares

1.14. Tipos de Clulas SolaresOtros tipos de clulas Teluro de Cadmio (CdTe): es otro materialpolicristalino de lmina delgada importante. Con un gap de 1,44 eV tambin posee un elevado coeficiente de absorcin. Uno de sus problemas es su elevada resistividad elctrica, solventada mediante la adicin de una capa de ZnTe entre el CdTe y el contacto.

Arseniuro de Galio: es un componente semiconductormezcla de dos elementos. Tiene la ventaja sobre el silicio, que trabaja mejor a altas temperaturas, hecho de gran importancia para clulas que trabajan en sistemas concentradores de radiacin.

1.15. El panel (mdulo) solar Generalmente un panel solar est constituido por la asociacin elctrica de clulas solares en serie (entre 30 y 36 clulas). VP IP + - IP1 8 2 7 10 15 11 6 14 12 5 13 20 21 19 9 16 18 17 25 32 26 23 27 22 28 29 30 31

24

IP3 4

IP

1.15. El panel (mdulo) solarCaractersticas constructivas del panel solar

1.15. El panel (mdulo) solarCaractersticas constructivas del panel solar

1.15. El panel (mdulo) solarCaractersticas constructivas del panel solar

1.15. El panel (mdulo) solarComposicin de coste de fabricacinItem Silicio puro Fabricacin discos Subtotal discos Material para contactos Fabricacin clulas Subtotal clulas Vidrio Lminas Otros Fabricacin panel Subtotal panel Total Total materiales Total fabricacin Coste $/Wp 24 62 86 16 67 83 10 11 5 33 59 228 66 162 % 10,5 27,2 37,7 7,0 29,4 36,4 4,4 4,8 2,2 14,5 25,9 100 28,9 71,1

1.16. Curva caracterstica del panel solarEcuacin caracterstica Curva caracterstica (I-V y P-V)

qV I = I L I S e kT 1

IISc Im Pmp

I: corriente del panel. V: tensin del panel. IL: corriente fotogenerada. IS: corriente inversa de saturacin. q: carga del electrn. k: constante de Boltzman. T: temperatura del semiconductor.

PPmax

Vm Voc

V

1.16. Curva caracterstica del panel solarICorriente de corto circuitoP-V

I-V

ISC Imp Punto de mxima potencia

PPmax

Tensin de circuito abierto Vmp VOC

V

1.16. Curva caracterstica del panel solarInfluencia de la conexin de las clulas solares en serie o en paralelo sobre la curva I - V

I (A)6

I (A)6 + 6

I (A)

-

4 2 +

4

4

V

2

2

V0,6 1,2 1,8

+ 0,6 1,2

1,8

V

0,6

1,2

1.17. Parmetros caractersticos del panel solar Corriente de cortocircuito

I SC = I (V = 0) = I L IL kT = V ( I = 0) = Ln 1 + q IO

Tensin de circuito abierto VOC Punto de mxima potencia Factor de forma

Pm = V mp I mpI mp Vmp I SC VOC 1.200 MWpSilicio cristalino: Silicio amorfo: Teluro de Cadmio: Cobre Selenio Indio: Otras tecnologas: 91,0 % 4,5 % 1,0 % 0,5 % 3,0 %

Total en Espaa en el ao 2004 > 80 MWpSilicio cristalino: 100 %

En Espaa, se produce aprox. el 7 % de la produccin mundial. (En Espaa, la produccin industrial, en trminos generales es de un orden de magnitud del 1 % mundial)Fuente: Photon

Desarrollo del mercado fotovoltaico espaolDesarrollo del mercado fotovoltaico espaol (1990-2004)12 40 35 10

Potencia anual instalada MWp

30 8 25 6 20 15 4 10 2 5 01990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Potencia anual conectada a red Potencia anual aislada de red

0

Potencia total instalada

Fuente: Datos oficiales del IDAE

Potencia total instalada MWp

Produccin mundial de clulas FV por tipo, ao 2003

Si microcristalino 1.8% otros Si amorfo 2.0% 7.4%

Si monocristalino 27.0%

Si policristalino 61.8%

Produccin de clulas en 2003 (por empresas)

Fuente : Photon International 04/2004

Plan y capacidad de produccin para 2004 de las 15 empresas ms importantes