Eficiencia cuántica y respuesta espectral

Técnicas para la evaluación de
celdas solares (norma IEC, JIS, UL)
Por: Jose Campos, Yasuhiro Matsumoto
Introducción:
•La producción mundial de módulos y celdas fotovoltaicas, 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 diferentes continentes mediante
tecnologías diversas para su producción.
Necesario conocer en forma precisa el funcionamiento de los
dispositivos FV según estructura y materiales mediante normas
establecidas.
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 energía
Para 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
Su estado de
comercialización
Tipo de celdas solares
Si-monocristalino
········ Gran escala de producción
Si-multicristalino
······· ·Gran escala de producción
Si-listón
······· ·Mediana escala de producción
Silicio
Si-amorfo (p. delgada) ······· Mediana escala de producción
Celda Solar
Si-microcrist (p.delg.)
········ Pequeña escala de producción
Si-esférico
········ I&D o Producción piloto
GaAs
········ Espacial, concentración
InP
········ Espacial
Comp. II-VI
CdTe, CdS
··
Mediana escala de Producción
Otros comp.
CuInSe2
CuInGaSe2 , CuInS2
···
Pequña escala de producción
otros
Tintes / Orgánico
········ I&D Producción piloto
Comp. III-V
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 a
lo largo del año, etc.
Por lo tanto, se requiere una evaluación cada vez más
consistentes a niveles Internacionales.
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 estructural
La condición estándar de medición; STC (por sus siglas en inglés):
•Intensidad = 1kW/m2
•Espectro Masa de aire AM1.5G
•Temperatura (CS) de 25°C
Mientras 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)
Ajuste
Irradiac ión
Sim ulador
Solar
Medición de
la irradiac ión
Celda de
Referencia
Celda
solar
Medición y control
de Temperatura
Medición de la
Respuesta espec tral
Fig 2 Componentes del equipo para
medir característica I-V
Medición I-V,
correcc ión
Interpretación
Funcionamiento
Respuesta espectral
Espectro-radiámetro absoluta
Simulador solar
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 una
evaluación congruente con su respuesta espectral
• Medición mediante simuladores solares
• Uso celda calibrada de segundo grado
1. Órgano certificador de cada país, o laboratorios
internacionales proporcionan celdas calibradas
2. Uso de espectro-radiómetro para calibrar el simulador solar
3. Uso de Bulbo de emisión estándar (fuente de radiación)
La estandarización internacional:
Laboratorios nacionales
•Alemania: PTB (Physikalisch Technishe Bundesanstalt);
Calibración de la celda primaria mediante respuesta
espectral absoluta.
•EU-JRC Ispra ESTI (European Solar Test Installation), NREL
(National Renewable Energy Lab); Calibración de la celda
primaria mediante irradiación absoluta, uso de la radiación
solar natural.
•JET (Japón), TUV (Alemania), ASU (Arizona State Univ.)
medición-prueba de módulos FV como negocio.
•Calibración de celdas secundarias: Fraunhofer ISE (Institute
of Solar Energy)
Algunas normas IEC (Interntional Electrotechnical Commission):
IEC 60891
IEC 0904-1
IEC 60904-2
IEC 60904-3
IEC 60904-5
IEC 60904-6
IEC 60904-7
IEC 60904-8
IEC 60904-9
IEC 60904-10
IEC 61215
IEC 61730-1
IEC 61730-2
Procedimiento corrección de temperatura e irradiancia para
medir I-V en c-Si
Medición I-V
Requerimientos para la celda de referencia
Principios de medición celdas terrestres con dato de
irradiancia espectral
Determinación temperatura equivalente en Voc
Requerimientos para el módulo de referencia
Cálculo error del desacople espectral introducido
Medición de la respuesta espectral
Requisitos para el funcionamiento del simulador solar
Métodos de medición lineal
Aprobación de tipo y diseño de módulos FV terrestres de c-Si
Evaluación seguridad de módulos FV: req. para construcción
Evaluación seguridad de módulos FV: req. para prueba
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
Fig. Efecto de la temperatura en la curva I-V
La dependencia de temperatura en la eficiencia de conversión varía
entre -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
I
Obscuridad
Voc
V
100 mW/cm2
Iluminación
I sc
Pmax
Fig. 4. Curva I-V.
Fig. 5. Efecto de la resistencia en serie.
Voltaje y corriente STC (AM1.5, 100mW/cm2, 25°C)
Se requieren celdas calibradas con diferentes respuestas espectrales
para una medición más precisa reducir errores durante la medición.
Simulador
Solar
Fig. 6 Celda solar de referencia
(primaria o secundria)
Medición
Irradiancia
Distribución
espectral
Celda de
referencia
Monitor
Irradiancia
C.S.
Mascarilla
Control de Temperatura
Mesa de medición
V+
I+
Medición
I- V
V-
I4 puntas
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) IEC
60904-9
1.Mediciones en áreas diminutas para detectar desuniformidades
2.Mediciones unitarias en las posiciones de las CS (caso módulo
FV)
3.Mediciones con rotaciones horizontales en sus posición
•Estabilidad de la irradiancia: Variaciones en el rango desde
milisegundos a varias horas de irradiación
Parámetros eléctricos
•Las precisiones de corriente y voltaje, según IEC 60904-1 es
de +/- 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 o
corrientes negativos (Fig.4), con la posibilidad de extraer los
parámetros como Rs y Rsh.
Es también preferible utilizar equipo de medición I-V con
barridos en ambas direcciones y variación de su velocidad.
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
V
I
I
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 un
tiempo 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.
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, pero
está incluido los contactos eléctricos como los dedos, reja o el
colector principal de la C.S.
3) Área de iluminación designada, cuando los componentes
principales de la C.S. no son incluidas, tales como en los caso de
concentración solar.
La Respuesta espectral (SR):
Es la dependencia de la potencia de salida de la CS en función de la longitud
de onda de la luz incidente.
La respuesta espectral tiene la unidad A/W (Amper/ Watt) y la eficiencia
cuántica 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), la
medición se convierte en corriente de la CS.
Por otro lado, la eficiencia cuántica indica la cantidad de electrones recolectadas por cada fotón incidente y se ocupa para un mejor diseño o para
la interpretación de los mismos dispositivos. Se tiene la siguiente relación
entre 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).
Fundamento medición de la respuesta espectral:
•Equipo de medición: Conocer la corriente generada de la CS bajo incidencia de la luz
monocromática.
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 luz
monocromática es de pequeña intensidad (10mW/cm2 ~ 1mW/cm2), se extrae la
respuesta (corriente) mediante el uso de un amplificador lock-in.
A
Respuesta Espectral Relativa A/W
C
B
300
500
700
900
Longitud de Onda (nm)
1100
Corrección desacople espectral
Se puede reducir la diferencia de desacople espectral mediante
celda de referencia y la calibración de los simuladores solares
La influencia del desacople espectral entre una CS calibrada a
un espectro del simulador solar y la respuesta espectral de una
CS a medir, se relaciona como:
Isc,s=Isc,m×
-------------- (1)
donde:
Isc,s=Isc bajo radiación solar estándar
Isc,m=Isc bajo simulador solar
En condiciones normales para
Φs= Irradiancia espectral relativa, CS de referencia
hacer que Isc,m,rc= CV se
Φm= Irradiancia espectral relativa, simulador solar
ajusta el simulador solar,
Qr= Sensibilidad espectral relativa, CS estándar
entonces (1) se puede escribir:
Qm= Sensibilidad espectral relativa, CS a medir
CV = Isc corregido CS de referencia
Isc,m,rc= Isc medido CS de referencia
Isc,s=Isc,m×
--- (2)
Para medir correctamente Isc de la CS bajo irradiación solar estándar, se
tiene las siguientes tres posibilidades.
a) Utilizar un simulador solar que irradie un espectro acorde al de la
radiación solar estándar. (Si Φs= Φm la ecuación (2) queda Isc,s=Isc,m)
b) Ajustar el simulador solar mediante una CS de referencia que tenga
semejanza espectral al de la CS a medir. (Si Qr=Qm, la ec. (2) queda
Isc,s=Isc,m )
c) En adición a las condiciones a) y b), conociendo con precisión la
irradiancia espectral del simulador solar, así como las respuestas
espectrales de las CS de referencia y la CS a medir, realizar la corrección de
la corriente Isc (corrección del desacople espectral).
Los estándares JIS, IEC contemplan las 3 posibilidades anteriores.
Simuladores solares:
ele
va
ció
n
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 -temporal
Utilizan lámparas Xe (6000 °K) de arco, con filtros ópticos y lentes
integradores
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
Fig. 11. Bombilla o
lámpara de Xenón
Simuladores solares:
•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 pulso
o 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 el
espectro con el control del flujo incidente.
Simuladores solares:
•de espectro variable:
Normalmente el espectro de los simuladores son fijos y no pueden variar, sin embargo
contemplando 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, se
ajusta el espectro para longitudes cortas (Xe) y el halógeno para longitudes largas.
Tabla 1: ASTM especificación
Acople
Irradiancia
Irradiancia
Clasificac espectral Uniformida
Inestabilidad
ión
(cada
d
temporal
intervalo) No-espacial
Clase A
0.75 - 1.25
2%
2%
Clase B
0.6 - 1.4
5%
5%
Clase C
0.4 - 2.0
10%
10%
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 espacial
3.Estabilidad temporal
Lente
integrador
Espejo
dicroico
Espejo
FILTRO
Lámpara
Xe
350-750 nm
Lámpara
Halógeno
850-1100 nm
Lámpara
Halógeno
750-850 nm
Simulador Solar con variación espectral
Celda solar
Irradiancia (u.a.)
Irradiancia (u.a.)
1.00
1
0.996
Xe
1.005
Total
1
0.995
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0
Tiempo (mseg)
1
2
3
4
Tiempo (horas)
Area de irradiación
Módulo FV
Movimiento en la
mesa de medición
5
6
Preguntas?
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 puede
corregir 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 IEC60904-9
1)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 sus
componentes con el tiempo-uso. Por lo que con un espetroradiómetro se
deba de revisar con cierta periodicidad
•Cuidados, seguridad en el manejo:
1)Elevada temperatura alrededor de la fuente de iluminación
2)El intervalo espacial entre la fuente de emisión y hasta la superficie a
iluminar, se compone de irradiación mas densa que la solar.
3)Cuidados del manejo del bulbo (Xe) esta bajo alta presión
4)Aislar perfectamente el módulo a medir. Fluyen corrientes de considerable
valor.
ESPECTRORADIÓMETRO PARA MEDIDA DEL ESPECTRO DE LA RADIACIÓN SOLAR
DIRECTA.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS:
Rango espectral: 300-1700 nm
Resolution: 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 igual
a5º
Sofware dedicado: SW en entorno Windows para adquisición, análisis
espectral y ajuste a demanda.
Software de medida automática y continua: obligatorio
Caja de intemperie con temperatura estabilizada: obligatorio
Calibración: en las instalaciones del proveedor con un 5% de precisión
espectroradiométrica.
Contemple actualización futura para medida del espectro radiación solar
global: obligatorio (sin perder calibración).
Contemple futura extensión del rango espectral a medir: obligatorio hasta
2500 nm.