Tema 3: Efecto fotovoltaico

Tema 3:
Efecto fotovoltaico
Generación de carga
1
Generación de carga
Generación térmica
Generación óptica
Coeficiente de absorción
Dimensiones de la célula fotovoltaica en PC1D
Densidad de impurezas en PC1D
Propiedades ópticas de los semiconductores en PC1D
Ejercicio
2
Recombinación
Generación térmica
En ausencia de iluminación la única carga libre en el semiconductor es la
generada térmicamente (ver presentación Semiconductores.pdf):
En un semiconductor intrínseco, por abandono de los electrones de los
enlaces covalentes del silicio, generando un par electrón-hueco.
En un semiconductor tipo n (p), por abandono de un electrón (hueco) de un
átomo de impureza, además del mecanismo anterior.
En un semiconductor intrínseco en equilibrio, la densidad de electrones n0
es igual a la de huecos p0 :
n0 = p0 = ni ≈ 1010 cm−3
En un semiconductor tipo n la densidad de electrones se aproxima a la de
impureza donadora N+
:
d
n 0 ≈ N+
d
p0 ≈
n2i
N+
d
n0 p0
En un semiconductor tipo p la densidad de huecos se aproxima a la de
impureza aceptadora N−
a.
p 0 ≈ N−
a
n0 ≈
n2i
N−
a
n0 p0
Generación óptica
Los fotones absorbidos por la célula fotovoltaica producen pares
electrón-hueco que contribuyen a la generación de electricidad.
La generación óptica produce un exceso de portadores minoritarios ∆n o ∆p
que se suma a la concentración en equilibrio:
n = n0 + ∆n
o
p = p0 + ∆p
La variación de la concentración de portadores mayoritarios es depreciable.
Coeficiente de absorción
El proceso de absorción depende de la energía de los fotones:
Aquellos fotones con energía inferior a la de la banda prohibida del
semiconductor no interaccionan con este y lo atraviesan como si fuera
transparente.
Si la energía del fotón incidente es mayor que la energía de la banda
prohibida, el fotón es absorbido después de viajar una cierta distancia en el
interior del semiconductor.
Esta distancia depende del coeficiente de absorción α(λ ) del semiconductor,
que a su vez depende de la energía del fotón.
El coeficiente de absorción es mayor para longitudes de onda cortas.
El flujo de fotones en el semiconductor decae exponencialmente con la
distancia:
Φ(x,λ ) = Φ0 e−α(λ )x
La absorción de un fotón genera un par electrón-hueco. La tasa de
generación de pares está relacionada con el flujo de fotones:
G(x,λ ) = −
dΦ(x,λ )
dx
Coeficiente de absorción de diferentes materiales
Dimensiones de la célula fotovoltaica en PC1D
El espesor de la célula fotovoltaica se especifíca en:
“Device → Thickness...”
El área de la superficie sobre la que incide la luz en:
“Device → Area...”
Densidad de impurezas en PC1D
Durante el proceso de fabricación de las
células fotovoltaicas se introduce una
concentración de impurezas (dopado) de
base para tener una conductividad
uniforme y controlada.
La concentración y tipo de impurezas del
dopado de base se especifica en:
“Device → Doping → Background...”
Si en el panel se introduce la densidad de
impurezas el programa calcula la
resistividad del material y viceversa.
También aparece información sobre al
movilidad y difusividad de los portadores de
carga.
Propiedades ópticas de los semiconductores en PC1D
Los parámetros que caracterizan la
absorción de luz y el índice de
refracción en el semiconductor
pueden encontrarse en:
“Device → Material → Optical...”
PC1D utiliza estos parámetros para
calcular un modelo interno de
absorción.
Sin embargo, es preferible utilizar
modelos experimentales de
absorción.
PC1D dispone de una serie de
archivos con las características de
los semiconductores más
corrientes:
“Device → Material → Open:”
Silicio.
Germanio.
GaAs.
Al0,3 Ga0,7 As.
InP.
Ejercicio
Abrir PC1D sin cargar ningún archivo de ejemplo. La pantalla “Parameters”
muestra un bloque de semiconductor de tipo p, con un área de 1cm2 y un
espesor de 10µm.
Definir el material como silicio. Para ello cargamos el archivo “SI.MAT” con
las propiedades de este material.
Obtener la densidad intrínseca de portadores ni y el dopado de base Na de
la vista “Parameters (Region 1)”.
Simular y obtener la densidad de electrones y huecos de la gráfica “Carrier
densities”
¿Coincide la densidad de huecos p0 con el dopado Na ? ¿Cuál es la densidad
de electrones n0 ? Comprobar que se cumple la aproximación n0 ≈ n2i /Na .
¿De donde proceden los electrones libres si no hay impurezas donadoras de
electrones ni iluminación?
Redimensionar el espesor del bloque semiconductor a 100µm.
Habilitar una fuente de luz monocromática frontal con los parámetros por
defecto y λ = 400nm
Representar la gráfica “Generation & Recombination” en la vista interactiva.
Cambiar el eje X a escala logarítmica si es necesario (doble click sobre el
área azul para ver el panel de opciones de gráfico). ¿Para qué profundidad
se obtiene una generación de carga máxima? (Observar que la gráfica es
acumulativa, la generación máxima corresponde a la pendiente máxima de
la curva).
Repetir la simulación para longitudes de onda de 600nm y 1200nm. ¿Cómo
evoluciona el perfil de generación? ¿A qué se debe?
Repetir la simulación para una longitud de onda 1300nm. ¿Qué tasa de
generación hay en el semiconductor? Explicar el resultado.
Simular de nuevo iluminando con un espectro AM1.5G ¿A qué profundidad
se obtiene la máxima generación?
Recombinación
1
Generación de carga
2
Recombinación
Tipos de recombinación
Tiempo de vida, tasa de recombinación y longitud de difusión.
Parámetros de recombinación en PC1D
Ejercicio
Cuestiones
Tipos de recombinación
Cualquier electrón en la banda de conducción se encuentra en estado
metaestable. Transcurrido cierto tiempo se recombinará con un hueco volviendo
a la banda de valencia. Este proceso puede ocurrir de tres maneras:
Recombinación interbanda: Recombinación directa de un electrón en la
banda de conducción con un hueco en la banda de valencia.
Recombinación a través de trampas locales: Recombinación a través de
defectos en la estructura cristalina del semiconductor que introducen
niveles energéticos en la banda prohibida.
Sucede, por ejemplo, en las fronteras de grano de las células policristalinas.
Recombinación superficial: Recombinación a través de los enlaces
incompletos de la superficie del semiconductor.
Se puede minimizar introduciendo recubrimientos superficiales (pasivación).
Tiempo de vida, tasa de recombinación y longitud de difusión.
Al tiempo medio que transcurre entre generación y recombinación se le
conoce como tiempo de vida de los portadores de carga, τ.
El proceso de recombinación lleva el exceso de portadores minoritarios ∆n
(∆p) al equilibrio a un ritmo o tasa de recombinación Rn (Rp ).
Rn =
∆n
τn
Rp =
∆p
τp
Durante el tiempo de vida los portadores de carga pueden desplazarse una
distancia L (longitud de difusión).
q
p
Ln = Dn τn
Lp = Dp τp
Las células solares construidas con obleas que tienen portadores de carga
minoritarios con largos tiempos de vida y grandes longitudes de difusión son
más eficientes.
Para tasas de recombinación superficial muy altas la recombinación está
limitada por la velocidad a la que se mueven los portadores de carga en el
semiconductor (≈ 107 cm/s).
Parámetros de recombinación en PC1D
PC1D permite definir los tiempos de vida de los portadores de carga y las
tasas de recombinación en las superficies de la célula:
“Device → Recombination”
También se encuentra información relativa a la recombinación propia del
material en:
“Device → Material → Recombination”
Estos parámetros se encuentran los archivos que definen los materiales.
Ejercicio
Abrir el archivo PVCELL.PRM en PC1D.
Definir una simulación múltiple dependiente del parámetro “FrS” (velocidad
de recombinación superficial de electrones y huecos) entre 10−2 y 1012 cm/s
con 15 pasos logarítmicos.
Definir la variable “BaseIsc” (corriente de cortocircuito) como parámetro de
salida.
¿Cómo evoluciona la corriente de cortocircuito para velocidades de
recombinación muy altas? ¿A qué puede ser debido?
Cuestiones
1
¿Cuál es la región del espectro visible que se absorbe más eficientemente
por el silicio?
2
¿Por qué el silicio no absorbe la banda del infrarrojo lejano?
3
¿Cómo se puede reducir la recombinación superficial?
4
Explicar por qué las células de silicio policristalino son menos eficientes que
las de silicio monocristalino.