UNIDAD 2: CLULAS Y MDULOS FOTOVOLTAICOS.

Como se ha visto en la primera unidad la fotovoltaica es una aplicacin prometedora que ha

experimentado un gran crecimiento a lo largo de las ltimas dcadas. Hecho que ha provocado que

a medida que su implantacin crece, su coste disminuye provocando un aumento de su

competitividad. As es que se nos plantea, como fundamental el conocimiento de:

funcionamiento de un panel fotovoltaico;

tipos de paneles existentes en el mercado;

componentes;

interpretacin de la hoja de caractersticas.

Cuestiones que trataremos en esta unidad.

1 LA CLULA FOTOVOLTAICA.

El tipo de clula fotovoltaica -tambin denominada clula fotoelctrica o clula solar- ms

comn es la clula de silicio cristalino. El silicio es un material semiconductor. Sus

propiedades de conductividad elctrica estn situadas a medio camino entre los materiales

conductores y los aislantes.

Los tomos estn formados, como sabemos, por un ncleo -constituido por protones y

neutrones- y una serie de electrones situados en rbitas u orbitales a su alrededor. Los

tomos de los diferentes elementos que existen en el universo se diferencian nicamente en

el nmero de sus partculas constitutivas. El nmero de electrones y la forma como estos se

estructuran determina ciertas propiedades bsicas del tomo; en particular , la configuracin

del ltimo orbital -llamado orbital de valencia- explica cmo se comportan los tomos y

cmo estos se combinan con otros par formar estructuras ms o menos complejas.

La configuracin ms estable del tomo es aquella en la que la capa u orbital de valencia

posee ocho electrones. Es esta la configuracin que caracteriza a los gases nobles (el nen,

argn, xenn, entre otros), as llamados porque no se combinan con otros tomos. El resto

de los tomos se combinan entre s, compartiendo o cedindose electrones, para aproximarse

a dicha configuracin.

1.1 Configuracin de los materiales semiconductores.

Los tomos de silicio tienen cuatro electrones en su orbital de valencia,electrones que

forman una red cristalina con otros tomos de silicio, tal como muestra la figura. Los tomos

comparten cada uno de sus cuatro electrones con los dems tomos que los rodean,

formando poderosos enlaces que mantienen unida la estructura. Al compartir dichos

electrones con sus cuatro tomos vecinos, el tomo de silicio adquiere su configuracin de

gas noble.

La aportacin de energa externa a dicha red en cantidad suficiente provoca que algunos

electrones se liberen del enlace; el electrn puede entonces moverse libremente por la red

cristalina. Macroscpicamente, esa libertad de movimiento de algunos electrones se

representa en una variable del semiconductor conocida como conductividad intrnseca. El

electrn, al liberarse del enlace, deja un hueco en ella, que se comporta como si se tratase de

una carga positiva.

La conductividad intrnseca no sirve para generar electricidad. Para hacerlo deben

introducirse impurezas en la red cristalina. Los tomos de dichas impurezas pueden tener o

bien un electrn ms (en el caso del fsforo, el antimonio, y el arsnico) o bien un electrn

menos (el caso del boro, el galio y el indio) que el tomo de silicio. La introduccin de

tomos de impurezas se denomina dopado.

Si se introduce fsforo como impureza, nos encontramos con un dopado de tipo N; si se

introduce boro, tenemos un dopado tipo P. En un semiconductor de tipo N existe exceso de

electrones; en uno de tipo P, exceso de huecos.

Qu ocurre si en un material semiconductor se introducen impurezas de tipo N por un lado

e impurezas de tipo P, por otro? En la red cristalina se forma, entonces, una unin PN con

dos regiones separadas. En esta unin, los electrones extra que hay en la regin N se

difunden en la regin P, dejando en esta, a su vez, un exceso de huecos o cargas positivas. Al

formar parte de una red cristalina, los electrones no se pueden mover libremente para

recombinarse y se establece un campo elctrico, una diferencia de potencial entre ambas

regiones. Este campo se opone al movimiento de las cargas, de modo que el proceso de

difusin se detiene hasta llegar a un momento de equilibrio electrnico. Tal como se muestra

en la figura anterior, la carga positiva de la regin N impedir que fluyan a ella ms

electrones. En ese momento se dice que la unin est bloqueada.

1.2 El efecto fotoelctrico.

Al exponer la unin PN est expuesta a la luz del Sol. En este caso, los electrones de la red

absorben los fotones. La energa que aportan estos fotones rompe enlaces y forma nuevos

pares electrn-hueco; el campo elctrico de la unin hace que los electrones migren hacia la

regin N y los huecos, hacia la regin P. A este proceso se le denomina efecto fotoelctrico1.

Si en el borde exterior de la regin N y de la P situamos sendas conexiones elctricas y las

conectamos a travs de una resistencia, por dicho circuito fluye una corriente elctrica. Pero

hay una parte de los portadores de carga que no llega a esos terminales, sino que se

recombina con su portador opuesto: la recombinacin de electrones y huecos no produce

energa, sino que se cuenta entre las prdidas que limitan el rendimiento de la clula

fotoelctrica.

1 El efecto fotoelctrico consiste en la emisin de electrones en la emisin de electrones cuando se ilumina un material . El efecto fotovoltaico es una aplicacin prctica de esta propiedad que permite producir energa elctrica a partir de luz

1.3 Fabricacin de la clula fotovoltaica.

La clula fotovoltaica suele estar formada por dos capas de semiconductores con dopados

diferentes. La capa sobre la que incide la luz solar es de tipo N, dopada generalmente con

fsforo; la capa inferior es de tipo P, dopada con boro. Para poder extraer la energa

generada por la luz solar en la clula es preciso conectarla elctricamente. En la capa

inferior se introduce generalmente una capa conductora de plata o de aluminio. La conexin

de la capa superior debe dejar pasar la luz del Sol, con lo que se sita una conexin en forma

de peine o de rejilla, tal como se aprecia en la figura.

La clula ms comn es la cristalina de silicio. El silicio es el segundo material ms comn

de la Tierra despus del oxgeno, por lo que la materia prima para la fabricacin de las

clulas fotovoltaicas est presente en cantidades virtualmente ilimitadas; sin embargo, el

silicio no aparece en estado puro sino bajo la forma de xido de silicio (el material de la

arena y el cuarzo).

La clula convencional se fabrica mediante una capa de P (habitualmente de silicio dopado

con boro) con un espesor de entre 100 y 500 micras, sobre la que se difunde una capa fina de

fsforo (con un espesor de entre 0.2 y 0.5 micras) para obtener una unin PN.

Habitualmente se trata de reducir la reflexin de la luz solar en la clula creando en su

superficie pequeas pirmides, en un proceso denominado texturizacin.

La creacin de una textura superficial en forma de pequeas pirmides en la cara frontal del

panel permite aprovechar mejor la luz reflejada.

1.4 Breve historia de la clula solar.

La primera clula solar data del ao 1883; fue desarrollada por Charles Fritts, que recubri

una muestra de selenio semiconductor con oro. En 1946 se produce la primera patente de

clula fotovoltaica, y en 1954 se descubre en los laboratorios Bell la sensibilidad a la luz de

los semiconductores dopados con impurezas.

Desde finales de la dcada de 1950, la carrera espacial influy considerablemente en el

desarrollo de clulas solares para alimentar elctricamente a los satlites artificiales. En

1970 se fabrica la primera clula de arseniuro de galio (GaAs), material que domin la

fabricacin de clulas fotovoltaicas hasta la dcada de 1980. Posteriormente el uso de

clulas de silicio ha reemplazado casi completamente a las de GaAs.

1.5 Tipos de clulas fotovoltaicas.

En el mercado y en los laboratorios de investigacin coexisten clulas y mdulos solares de

muy diversos tipos. Con mucho, las ms comunes son las de silicio monocristalino, las de

silicio policristalino y los mdulos de capa fina. Junot con estos tres tipo, existen otros de

carcter ms o menos experimental, en ocasiones con rendimientos superiores pero de

presencia en el mercado todava muy reducida.

1.5.1 Clulas de silicio monocristalino.

1.5.2 Clulas de silicio policristalino.

1.5.3 Clulas de capa fina.

1.5.4 Otras tecnologas.

El uso de arseniuro de galio (GaAs) como material semiconductor.

La tecnologa de esferas de silicio desarrollada por Texas Instruments.

Desarrolladas por el fabricante Sunways, existen celulas solares traslucidas

Nanosolar, empresa fundada con capital procedente de Google, ha apostado por

fabricar los mdulos fotovoltaicos ms baratos del mundo, a razn de un dlar por

vatio. Emplean la tecnologa de cobre-indio-diselenio, que supuestamente alcanza

una eficiencia del 19,9% en el laboratorio, y dicen haber desarrollado una suerte de

que permitira fafricar celulas mediante un proceso de

impresin.

1.6 Prdidas y rendimiento.

En la clula fotovoltaica tienen lugar una serie de prdidas que limitan su rendimiento,

de modo que solo es posible extraer una parte de la energa solar que incide sobre ella.

Sombra causada por la conexin elctrica y reflexin de parte de la radiacin

solar, 3%.

Energa de los fotones demasiado baja como para romper el enlace del silicio

y generar un par electrn-hueco, 22%.

Energa de los fotones demasiado elevada para romper el enlace del silicio,

30%.

Prdidas de energa debido a la recombinacin de electrones-huecos, 8.5%.

Prdida de tensin en la celula, 20%.

Prdidas en la resistencia, 0.5%.

Todo ello limita el rendimiento global de la celula fotoelctrica a aproximadamente el

16%.

2 MDULOS FOTOVOLTAICOS.

Una clula solar tpica posee en la actualidad una superficie de 243 centmetros cuadrados y

produce aproximadamente una potencia cercana a los 4 vatios y una intensidad de entre 7 y

8 amperios. El escaso valor de la tensin y la potencia hace necesaria la conexin de varias

clulas en serie. Para ello, se suelda el conector superior (negativo) de una clula con el

conector inferior (positivo) de la siguiente. Entre las clulas individuales se introduce un

pequeo espacio de unos 2mm, tal como muestra la figura.

Las clulas de pelcula fina se conectan elctricamente como parte del proceso de

fabricacin.

La mayor parte de los mdulos o paneles fotovoltaicos posee entre 36 y 96 clulas

conectadas en serie. En la primera poca de las instalaciones fotovoltaicas, su aplicacin

principal era las instalaciones aisladas, en las que se empleaban bateras de 12 voltios para el

almacenamiento de la energa.

Para asegurar un proceso de carga ptimo se empleaba una asociacin en serie de entre 36 y

40 clulas, que proporcionaba una tensin de salida de 17 voltios. En la actualidad, los

mdulos estndar llegan a entregar una potencia de hasta 300 vatios, con unos valores de

tensin que rondan habitualmente los 30 voltios en el punto de mxima potencia.

Adems de las clulas propiamente dichas, el panel debe contar con una serie de elemetos

adicionales:

1. Un aislamiento adecuado, para proteger las clulas frente a los agentes

atmosfricos y evitar que se daen o se degraden.

2. Una consistencia mecnica que permita manipular el conjunto y proporcionarle la

adecuada solidez.

2.1 Pares de un mdulo fotovoltaico.

El mdulo fotovoltaico est compuesto por las siguientes partes:

Cubierta frontal. Fabricada con vidrio templado y con un grosor de tres o cuatro

milmetros, debe ser buen trasnmisor de la radiacin solar y proteger contra los

agentes atmosfricos. La superficie exterior de esta cubierta es antirreflexiva y

antiadherente.

Encapsulado. Para proporcionar solidez a las clulas, estas se insertan en un

material transparente que las asla elctricamente. Se emplean cuatro mtodos de

encapsulado: el de etileno vinil acetato (EVA), el de butial de polivinilo (PVB), el de

tefln y el de resina. El encapsulado debe permitir al igual que la cubierta frontal

la trasnmisin de la radiacin solar y no degradarse con la luz ultravioleta.

Cubierta posterior. Suele estar fabricada con poliflururo de vinilo (PVF) o polister.

Al igual que la cubierta frontal, sirve para proteger al mdulo frente a los agentes

atmosfricos y para aislarlo elctricamente.

Marco. Fabricado en aluminio anodizado por la mayor parte de fabricantes, sirve

para proporcionar rigidez y resistencia al mdulo, proporcinando adems un sistema

de fijacin. En la actualidad hay muchos modelos de paneles que no poseen marco,

principalmente los de capa fina.

Conexiones. Se sitan en la parte posterior del mdulo, en una caja que los protege

del polvo. Estas cajas deben tener como mnimo una proteccin IP 54. En el

momento del montaje, se debe evitar totalmente que entre agua en la caja, lo que se

logra mediante el uso de prensaestopas. En la actualidad, lo ms comn es que los

mdulos , como los que muestra la fotografa de la derecha, vengan provistos con

cables y conectores, diferentes para cada polo, para hacer la instalacin ms fcil y

rpida. De este modo, la conexin entre los mdulos se puede efectuar de forma

directa.

Los mdulos solares como elementos arquitectnicos.

En muchas ocasiones, los paneles solares se emplean en edificios y se convierten as no solo

en un dispositivo funcional para producir electricidad, sino tamben en elementos

arquitectnicos que deben integrarse estticamente en el inmueble del que forman parte.

2.2 Fabricacin de un mdulo fotovoltaico.

La materia proma para la fabricacin de clulas solares es, como ya hemos mencionado,

arena comn u xido de silicio (SiO2). Este compuesto debe reducirse en primer lugar a

silicio y se somete a continuacin a un proceso de purificacin a travs de una

destilacin fraccionada. Esta es la fase ms cara del proceso y consume mucha energa.

Para fabricar un mdulo de silicio mono o policristalino deber seguirse posteriormente

un proceso de cristalizacin para formar un lingote cilndrico de silicio cristalizado;

estos lingotes se cortan posteriormente en lminas, tambin denominadas obleas o

wafers. Sobre estas lminas se efectuarn posteriormente las operaciones de dopado para

la formacin de la unin PN y la ubicacin de los electrodos metlicos; en la ltima fase

se produce el soldado de las clulas y su montaje y encapsulacin en el mdulo.

3 MAGNITUDES Y CARACTERSTICAS.

Para representar las principales magnitudes elctricas de una clula solar, imaginaremos una

clula con una superficie de 243 centmetros cuadrados que proporciona en sus conductores

una tensin de aproximadamente 0.5 voltios y una intensidad proporcional a la luz del sol,

hasta un mximo de 7 u 8 amperios. A la clula se le puede acoplar una resistencia variable,

un ampermetro para medir la intensidad generada y un voltmetro para cuantificar la

diferencia de potencial que existe entre los terminales de la clula.

Para representar una clula fotoelctrica o un mdulo en un circuito se emplea el smbolo de

la figura.

Cuando la resistencia es infinita o, en otras palabras, cuando

abrimos el circuito- en los extremos de la clula mediremos la

tensin de circuito abierto (Voc o Vca). A la inversa, si la resistencia

es nula, por el circuito circular una corriente elctrica denominada

intensidad de cortocircuito (Isc o Icc). Esos valores de tensin e

intensidad corresponden a los mixmos tericos que puede proporcionar la clula.

Curvas caractersticas IV y PV por una clula de silicio cristalino. En ella se observa la

posicin del punto de mxima potencia (MPP).

Si variamos la resitencia entre cero e infinito, intensidad y tensin varan siguiendo una

curva que denominamos cruva caracterstica tensin-intensidad o curva I-V. Para una

temperatura y nivel de irradiancia determinados, el punto de trabajo (combinacin de

intensidad proporcionada y tensin de la clula) est siempre situado en dicha curva. La

resistencia del circuito al que est conectado la clula determinar la ubicacin del punto de

trabajo en la curva caracterstica.

La forma de dichas curvas es diferente para cada tipo de clula, tal como podemos observar

en la figura.

Comparacin de las curvas caractersticas IV de clulas de silicio cristalino y silicio amorfo.

En realidad, la curva caracterstica no es nica, sino que vara con la temperatura y con la

iluminacin o radiacin incidente, con lo que, en realidad, para cada clula fotovoltaica

disponemos de una familia de curvas caractersticas.

Curvas caractersticas IV para diversos vectores de irradiacin, a temperatura constante.

3.1 Clculo de la potencia.

El punto de trabajo ede una clula solar se sita siempre sobre una de sus curvas

caractersticas. En dicho punto, la potencia es igual al producto de la tensin por la

intensidad:

P L=V LI L

donde PL es la potencia entregada por la clula, VL la tensin en el receptor conectado a

la clula e IL la intensidad entregada por la misma.

Junto con la curva caracterstica I-V podemos representar tambin habitualmente en la

misma grfica la curva P-V, en la que observamos un punto de potencia mxima, que

corresponde a unos valores de tensin e intensidad que denotaremos como Vmpp e Impp,

respectivamente, siendo:

Pmx=V mppI mpp

La potencia mxima (Pmx o Pmpp) o potencia de pico de la clula es la potencia que esta

es capaz de proporcionar en condiciones estndar de medida (STC: Standard Test

Condictions): temperatura de la clula de 25C e irradiancia de 1000W/m2 con espectro

AM1,5. En la realidad, es poco frecuente que la clula llegue a proporcionar la potencia

de pico, entre otras razones debido a que con la radiacin del Sol su temperatura

aumenta y, con ello, su eficiencia desciende.

Se denomina factor de forma al coeficiente entre dicha potencia mxima y el producto

de la tensin de circuito abierto por la intensidad de cortocircuito.

FF=V mppI mppV ocI sc

El factor de forma es siempre inferior a la unidad y es un parmetro de la calidad de la

clula. En el caso de las clulas cristalinas, el factor de forma est situado entre 0.7 y

0.85; para clulas solares amorfas, entre 0.5 y 0.7. En la ilustracin de la figura podemos

observar una definicin grfica del concepto de factor de forma.

Figura 3.13. definicin del factor de forma en una clula fotovoltaica.

Se denomina rendimiento o eficiencia al porcentaje de la energa solar recibida que se

convierte en energa elctrica. Es igual al cociente entre la potencia mxima y el

producto del rea superficial de la clula por la irradiancia que incide sobre ella en

condiciones estndar de medida:

=PmxGAc

=FFV ocI sc

GAc

Caso Prctico: Un mdulo fotovoltaico posee una potencia mxima de 162 vatios y est

formado por 48 clulas de 155 mm. Cul es la eficiencia de la clula?

Tal como hemos visto, el mdulo fotovoltaico est formado por clulas conectadas entre

s. Supongamos que todas las clulas operan bajo las mismas condiciones de irradiancia

y temperatura. En ese caso, la tensin que proporciona el mdulo es igual al producto de

la tensin de cada clula por el nmero de clulas conectadas en serie,

V M=V CN s

La intensidad del mdulo es igual al producto de las clulas o ramas conectadas en

paralelo por la intensidad de cada rama:

I M=I CN p

Finalmente, la potencia proporcionada por el mdulo es igual al producto de la potencia

de cada clula por el nmero de cloas conectadas en serie. Si concectamos en paralelo,

la potencia total de la instalacin ser igual a la potencia de los mdulos por el nmero

de ramas en paralelo. De ese modo, podemos calcular la potencia de toda la instalacin

como:

PT=N sN pPc

Caso prctico: En una pequea instalacin fotovoltaica disponemos de dos mdulos

conectados en paralelo, cada uno de los cuales posee 60 clulas conectadas en serie . En

un momento dado, las clulas estn proporcionando una corriente de 4.3A a una tensin

de 0.5V. Cal es la potencia que proporciona la instalacin?

3.2 Hojas de caractersticas.

Los principales parmetros elctricos que proporcionan los fabricantes de mdulos

fotovoltaicos son la corriente de cortocircuito, la tensin a circuito abierto y la potencia

mxima (o potencia de pico) que es capaz de entregar el mdulo, habitualmente con una

tolerancia de entre el 3 y 5 .

Cuando el Sol incide sobre la clula con la intensidad especificada, la temperatura de

esta sube por encima de los 25C. Por esa razn, la hoja de caractersticas suele

especificar tambin la temperatura de operacin nominal de la clula (TONC o NOTC

en ingls). Se trata de la temperatura que adquirir el mdulo en condiciones estndar de

trabajo; por tanto, es un indicador de su capacidad para disipar el calor.

La TONC se determina para un nivel de irradiancia de 800W/m2, una temperatura

ambiente de 20C y una velocidad del viento de 1m/s. A partir del dato de la TONC, la

irradiancia y la temperatura ambiente calcularemos la temperatura de trabajo de la clula

segn la siguiente ecuacin:

T c=T aGTONC20

800

donde Tc es la temperatura de trabajo de la clula, Ta es la temperatura ambiente (ambas

expresadas en grados centgrados) y G es la irradiancia. Dicha frmula es aproximada y

en muchas ocasiones la temperatura de trabajo de la clula se estima o bien se observa

empricamente con ayuda de un termmetro infrarrojo o una cmara termogrfica.

El valor de la temperatura nominal de operacin de la clula (TONC) es un parmetro

que se obtiene de la hoja de caractersticas de un mdulo fotovoltaico; si no disponemos

de dicho dato, podemos tomar 45 o 46 grados como valor aceptable.

Caso Prctico: El mdulo BP Solar, tiene una NOTC de 47C. Qu temperatura de

trabajo alcanzarn sus clulas con una irradiancia de 1000W/m2 y una temperatura

ambiente de 18C?

Adems de los datos elctricos, la hoja de caractersticas proporciona informacin sobre

las dimensiones, peso, valores lmite de temperatura y tensin mecnica, junto con los

coeficientes segn los cuales la potencia mxima, la tensin de circuito abierto y la

corriente de cortocircuito varan con respecto a la temperatura.

En la pgina siguiente vemos un ejemplo de una hoja de caracterstica (data sheet), del

mdulo NDQ2E3E/ND162E1 de la empresa Sharp. Como podemos observar, dicha hoja

contiene diversa informacin agrupada en varias tablas:

En primer lugar, en la esquina superior tenemos una informacin general sobre las

caractersticas del mdulo: tipo de clulas, superficie, tensin mxima, potencia

nominal, dimensiones, peso y tipo de conectores.

A su derecha, observamos las condiciones ambientales en las que el mdulo debe

trabajar: as, en nuestro ejemplo, la temperatura de operacin no debe nunca superar

los 90C ni caer por debajo de los -40C.

Inmediatamente debajo de la anterior resean los coeficientes de temperatura para el

mdulo; con ellos podemos calcular, para una determinada temperatura de trabajo de

la clula, los valores de Isc, de Voc y de Pmx del mdulo. El parmetro que ms vara

con la temperatura es la tensin de circuito abierto. Es importante, como veremos

ms adelante, estimar adecuadamente para el rango de temperaturas al que se prev

que trabaje el mdulo, de cara al dimensionamiento del inversor; si la temperatura

asciende por encima de lo previsto, es posible que la tensin supere el valor

admisible del inversor y lo dae irreparablemente.

La parte central de la hoja est formada por los datos elctricos del mdulo: Voc,

VMPP, Isc, IMPP, Pmx y .

Las grficas inferiores nos informan de las caractersticas del mdulo: grficas I-V y

P-V para diversos valores de irradiancia, variacin de la tensin de circuito abierto y

la corriente de cortocircuito con respecto a la irradiancia y variacin de Voc, Isc y Pmx con respecto a la temperatura.

Finalmente, disponemos de informacin detallada con respecto a las dimensiones y

las posibles aplicaciones del mdulo.

4 COSTES DE FABRICACIN.

Como toda tecnologa innovadora, en sus inicios la generacin de electricidad mediante

paneles fotovoltaicos ha tenido un coste elevado. La inversin de investigacin y desarrollo

y la produccin en masa de clulas y mdulos solares, junto con las innovaciones en los

dems elementos que componen una instalacin solar (inversores, estructuras, cableado,

etctera) ha hecho descender considerablemente los costes. Para medirlos se emplea

comnmente el precio (generalmente en euros o en dlares) por vatio pico (es decir, por

vatio de potencia mxima). El grfico siguiente muestra a evolucin del precio de los

mdulos fotovoltaicos; en ellos se observa claramente una tendencia descendente a medida

que aumenta la potencia fotovoltaica instalada en el mundo. Las variaciones en los precios

de las tarifas elctricamente sujetas en algunos pases a primas especiales, explican tambin

en parte las oscilaciones de los precios.