Energía solar fotovoltaica

ENERGÍA FOTOVOLTAICA – Dr. Ricardo Guerrero Lemus
ENERGÍA FOTOVOLTAICA
Dr. Ricardo Guerrero Lemus
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LAS ENERGÍAS RENOVABLES: UNA APUESTA DE FUTURO EN LAS ISLAS
Universidad Ambiental de La Palma: Cursos de Verano. Los Llanos de Aridane, 17 – 21 de septiembre de 2007
ENERGÍA FOTOVOLTAICA – Dr. Ricardo Guerrero Lemus
DEFINICIÓN:
• La energía fotovoltaica es energía eléctrica creada mediante la excitación de
portadores de carga eléctrica al interaccionar con fotones procedentes del sol.
• Hay que diferenciar la energía fotovoltaica de la energía solar térmica y de la
generación de electricidad solar térmica.
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BREVE INTRODUCCIÓN HISTÓRICA:
1839: Edmund Becquerel, un joven físico experimental francés de 19 años descubre el efecto
fotovoltaico mientras experimenta con una célula electroquímica, en la que se genera una corriente
eléctrica entre dos electrodos metálicos sumergidos en una disolución conductora cuando ésta es
iluminada por el sol.
1873: Willoughby Smith descubre la fotoconductividad del selenio.
1876: Adams y Day observan el efecto fotovoltaico en selenio sólido.
1883: Charles Fritts, un inventor americano, fabrica la primera célula solar formada por dos placas de
selenio y un fino electrodo de oro.
1904: Einstein publica su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico.
1941: Russell Ohl inventa la primera célula fotovoltaica de silicio.
1954: Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin diseñan la primara célula de silicio que alcanza un
4.5 % de eficiencia de conversión de radiación en electricidad, pocos meses después un diseño más
avanzado alcanza el 6 % (anteriormente las células fotovoltaicas tenían eficiencias inferiores al 1 %).
1958: Hoffman Electronics crea una célula que alcanza el 8% de eficiencia, y es utilizada para
alimentar el primer satélite que ha operado con energía solar, el Vanguard I (operó durante 8 años, el
precio de producción fue de 200$/Wp, mientras que actualmente alcanza los 2,70$/Wp).
1960: Hoffman Electronics desarrolla una célula que alcanza el 14 % de eficiencia.
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ORBITALES ATÓMICOS – BANDAS SEMICONDUCTORAS
• Interacciones entre átomos.
• Desdoblamiento de orbitales.
• Principio de exclusión de Pauli.
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Interacciones básicas electrón-fotón en
un átomo:
• Absorción
E1 + hν12 = E2
• Emisión espontánea
E2 = hν12 + E1
• Emisión
estimulada
(contrario
a
absorción, coherencia [energía, fase,
dirección, polarización]).
E2 + h12 = E1 + 2hν12
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En equilibrio térmico ([E2 – E1] > 3kT):
n2
=e
n1
− ( E2 − E1 )
kT
=e
− hν 12
kT
Ritmo emisión estimulada +
Ritmo emisión espontánea =
Ritmo Absorción
Inversión de población
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MATERIALES SEMICONDUCTORES:
• Cristalinos: predecibles y caros.
• Multicristalinos: granos ∼ cm.
• Policristalinos: granos microscópicos.
• Amorfos: enlaces libres – hidrógeno.
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MATERIALES DE CÉLULAS SOLARES:
300 MWp / a
• Silicio monocristal: c-Si.
2000
• Silicio multicristal: mc-Si.
• Silicio amorfo: a-Si:H.
• Silicio en cinta: ribbon Si.
• Lámina delgada CdInS: CIS.
ribbon-Si
a-Si
mono-Si
multi-Si
1990
• Lámina delgada de CdTe.
• Células orgánicas.
• Células de colorante.
1980
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VENTAJAS DEL SILICIO:
• Elemento abundante de la corteza terrestre.
• No es tóxico.
• Semiconductor elemental.
• Óxido nativo pasivante.
• Coeficientes de segregación bajos para muchos metales.
• Fácilmente dopado tipo-p y tipo-n.
• Parte sustancial de una industria microelectrónica de 140.000.000.000 $.
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SILICIO MONO- Y MULTICRISTALINO:
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método CZ
método FZ
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SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS (p-n) E INTRÍNSECOS:
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PROCESO DE FABRICACIÓN:
Malla frontal
Lámina antirreflejante
n-emisor
p-base
Contacto trasero
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ANTES DE LA UNIÓN:
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DESPUÉS DE LA UNIÓN:
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UNIÓN POLARIZADA:
• Corriente de saturación constante.
• Ecuación característica:
⎛ qV kT ⎞
i = is ⎜ e
− 1⎟
⎠
⎝
i: corriente.
i0: corriente de saturación.
V: diferencia de potencial.
q: carga del electrón.
k: constante de Boltzman.
T: temperatura (K).
k·T (300 K) = 0,026 eV.
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COMPORTAMIENTO RECTIFICADOR:
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FOTODIODO:
• Región de carga espacial
• Longitudes de difusión
• Eficiencia cuántica del fotodiodo:
η = (1 − R)ξ [1 − e −αd ]
R: reflectancia
ξ: eficiencia generación pares e-h.
α: coeficiente de absorción
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CONFIGURACIÓN BÁSICA DEL FOTODIODO:
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CARACTERÍSTICA I-V CON LUZ:
• Ecuación característica:
• Fotocorriente: ip
qV
⎞
⎛
kT
i = is ⎜ e
− 1⎟ − i p
⎠
⎝
= q·A·G·( Le + W + Lh )
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• Valor del gap fundamental para
captar la mayor cantidad de
radiación solar
• Parámetros principales
•
-corriente de cortocircuito Isc = iL
-voltaje de circuito abierto:
Voc =
kT ⎛ iL ⎞
ln⎜ + 1⎟⎟
q ⎜⎝ is
⎠
-factor de llenado:
FF =
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Vmp ·I mp
Voc ·I sc
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• Potencia de salida: área del
rectángulo.
• Factor de llenado: grado de
cuadratura de la curva I-V en el
IV-cuadrante.
• Factor de idealidad n:
qV
⎛
i = is ⎜ e nkT − 1⎞⎟ − iL
⎝
⎠
• Punto de máxima potencia: área
máxima.
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Relación empírica (sin resistencias parásitas):
voc − ln(voc + 0.72)
FF =
;
voc + 1
Voc
voc =
nkT
;
voc > 10
q
Eficiencia de conversión de energía:
η=
Vmp ·I mp
Pin
=
Voc ·I sc ·FF
Pin
BP-SOLAR: 17%
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EFECTO DE RESISTENCIAS PARÁSITAS:
• Contribuyen a reducir el factor
de llenado.
•Circuito equivalente:
• La resistencia serie (Rs) la componen:
• resistencia volúmica del semiconductor.
• contactos metálicos e interconexiones.
• resistencia e contacto entre el metal y el semiconductor.
• La resistencia de deriva (Rsh) la componen:
• defectos en la unión e impurezas que la cortocircuitan parcialmente.
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Efecto de la resistencia serie y de la resistencia de deriva sobre el factor de llenado:
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PÉRDIDAS DE EFICIENCIA:
• Pérdidas ópticas.
• (1) Bloqueo de la luz por los contactos metálicos superiores.
• (2) Reflexiones superficiales.
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Formas de reducir las pérdidas ópticas (1):
• Minimizar el contacto eléctrico superior (aunque aumentaría la resistencia serie).
• Láminas antirreflejantes de cuarto de onda.
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Formas de reducir las pérdidas ópticas (2):
• Procesos de texturización superficial.
• Aumentar la reflectancia de la cara interior trasera de la célula.
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