Download CURVAS DE CORRIENTE – VOLTAJE (I

PROCESOS DE FABRICACION DE
CELDAS FOTOVOLTAICAS
• Las celdas solares comerciales se fabrican con
lingotes de silicio de alta pureza.
• El lingote es rebanado en forma de placas
delgadas llamadas obleas.
• La tecnología permite fabricar
celdas de película delgada del
orden de 1 µm de espesor
• También celdas gruesas del orden
de cientos de micras de espesor
• El espesor típico de las obleas es
del orden de 300 µm (0.3 mm)
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
PROCESOS DE FABRICACION DE
CELDAS FOTOVOLTAICAS
• Una parte muy pequeña del espesor de la oblea (del
orden de 0.5µm) es contaminada con átomos de fósforo,
elemento que al sustituir al silicio cede electrones al
material, formando la capa tipo N.
• El resto de la oblea es contaminado con átomos de boro,
induciendo deficiencia de electrones formando la capa
tipo P.
• Estas capas forman dentro de la oblea y cerca de la
superficie que recibirá la luz solar, un campo eléctrico
interno, el cual es el responsable de separar las cargas
foto-generadas positivas (hueco) y negativas (electrón).
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
• Silicio monocristalino:estructura cristalina uniforme
• Silicio policristalino:estructuras ubicadas
arbitrariamente. Estos “granos” hacen que la
estructura no sea uniforme y se obtenga una
eficiencia menor
• Silicio amorfo:presenta todavía bajos niveles de
eficiencias
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
• El Silicio se obtiene a partir de elementos como
arena o cuarzo
• Se presentan en la naturaleza con altos grados de
impurezas, por este motivo es necesario procesarlos
• Obtenemos un Silicio con propiedades de
semiconductor y así lograr celdas de alta eficiencia
• el Silicio es el segundo elemento más abundante en
la superficie terrestre, luego del oxígeno.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Producción de Silicio Policristalino
• Proceso
– Consiste en llevar los granos de cuarzita a temperaturas sumamente
elevadas, agregando carbón para eliminar el oxigeno presente en la
cuarzita y producir una sustancia gris metálica brillante de una pureza
de aproximadamente 99%.
– Para llegar a purezas de 99,9999%, la sustancia obtenida es depurada
mediante un proceso similar al utilizado en las refinerías de petróleo,
llamado destilación fraccionada
– El silicio líquido es vertido en bloques o moldes para su enfriamiento, y
posteriormente es cortado en rodajas.
– Cuando el bloque se solidifica se forman estructuras cristalinas de
diferentes tamaños.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Producción de Silicio Monocristalino
• Proceso
– Método de crecimiento de Czochralski
(CZ)
• El Silicio Policristalino se funde en un crisol
a temperaturas cercanas a 1.410ºC,
• Se intriduce una “semilla” de Silicio
Monocristalino,
• Se retira lentamente (10cm/hora) haciendo
crecer un lingote cilíndrico de material
Monocristalino
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
• Método Flotante (FZ)
– Se coloca una “semilla”
Monocristalina sobre una barra de
Silicio Policristalino
– Luego gracias a una bobina que
induce un campo eléctrico, la barra
se calienta y se funde con la semilla
– Al desplazarse completamente por
la bobina permite la obtención del
lingote de Silicio Monocristalino
– Este lingote es más puro que el
producido con el método CZ
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Producción de obleas
• Una vez obtenido el cilindro de
Silicio Monocristalino, se procede a
cortar las obleas o wafers con
espesor aproximado de 300um
• Para realizar esta operación se utiliza
una sierra con multifilamentos, la
cual al cortar las obleas produce
partículas de Silicio
• Se pierde casi un 20% de material
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Producción de obleas
• Las obleas son dopadas con átomos de Fósforo en un
horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para
obtener la capa N
• El substrato tipo P se logra, antes de obtener los
lingotes, dopando el Silicio con átomos de Boro, para
luego cortar las obleas que serán utilizadas como
material tipo P en las celdas
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Película antirreflectante
• Consiste en una tratamiento o
texturizado que se le da al
Silicio para disminuir el índice
de reflexión
• Estructura piramidal, que
aumenta la absorción de la luz
incidente, gracias a reflexión
múltiple de ésta
• Las celdas solares de silicio monocristalino presentan un
color negro a la reflexión debido al proceso de texturización.
• Las celdas policristalinas no se pueden texturizar y el color
que reflejan con la luz del día es debido al anti-reflejante.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Contactos
• Superior : Debe construirse con
unidades lo bastante gruesas, para
transportar la corriente eléctrica y
lo bastante finas, para no
obstaculizar el paso de la luz solar
(titanio/paladio/plata)
• Inferior : capa metálica material
conductor simple (aluminio/plata)
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
TIPOS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS
Características de las celdas solares fotovoltaicos de
silicio.
Monocristalinas:
•
•
•
•
•
estructura atómica muy ordenada.
rendimiento entre el 15% y el 18%.
número elevado de fabricantes
difícil construcción, alto precio.
suministran un rendimiento de energía más alto que otros
tipos de celdas bajo condiciones de luz difusa
Policristalinas:
• estructura atómica no tan ordenada como en el
monocristalino.
• rendimiento entre el 12% y el 15% .
• más barato de producir que el monocristalino
• bajo rendimiento en condiciones de baja iluminación
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
TIPOS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS
Características de las celdas solares fotovoltaicos de
silicio.
Amorfas:
•
•
•
•
•
•
•
estructura atómica bastante desordenada.
rendimiento es inferior al 10%.
Funciona con una luz difusa baja, incluso en días nublados
fabricación sencilla, más barato.
Integración sobre soporte flexible o rígido
Rendimiento decreciente con el tiempo
En las celdas amorfas o celdas de película delgada, la
película de silicio es aplicada al vidrio o a algún otro sustrato.
• La película delgada tiene un grosor de menos de 1µm (el
grosor de un cabello humano que es de 50 – 100 µm)
• De esta forma los gastos de producción se reducen por ser
menores los gastos de material
• Estás celdas fueron las primeras en ser manufacturadas, ya
que se podían emplear los mismos métodos de fabricación
de los diodos.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Película delgada (Thin Film)
• se encuentra en el mercado celdas solares en película
delgada basadas en silicio amorfo
• material más barato que el silicio cristalino
• con una eficiencia de apenas llega al 10%
• El inconveniente: sufre debido un efecto de degradación
progresivo de su eficiencia.
• Se puede encontrar en relojes, calculadoras, sistemas de
señalización y hasta módulos de baja potencia.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología Tándem
• Esta tecnología está compuesta por la combinación de
dos tipos de tecnología en una misma celda.
• Una estructura en tándem consiste por ejemplo, en una
celda solar de capa delgada de silicio amorfo sobre una
celda solar de silicio cristalino.
• Alta sensibilidad en un amplio rango de longitudes
de onda.
• Excelente rendimiento
• El costo es alto debido a la superposición de dos
celdas
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
OTROS MATERIALES Y USOS
• Otros compuestos semiconductores en película
delgada son el telurio de cadmio (CdTe) y el cobreIndio-diselenio (CulnSe2).
• Estas celdas solares podrán satisfacer la combinación
requerida de bajo costo y eficiencia aceptable.
• Existen otras clases de celdas solares basadas en
monocristales de compuestos semiconductores como
el arseniuro de galio (GaAs) ó fosfuro de indio (InP)
• Su elaboración es muy cara pero satisface los
requerimientos de alta eficiencia y bajo peso
• características que las hacen ideales para las
aplicaciones espaciales.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Tecnología Multiunión
• Estas celdas tienen una alta eficiencia y han sido
desarrolladas para aplicaciones espaciales.
• Las celdas multiunión están
compuestas de varias capas
delgadas usando la epitaxia por haz
molecular, como método de
fabricación
• La epitaxia es un método de
deposición cristalino en el que se
consigue crecer finas capas de
material sobre un sustrato.
• Su nombre deriva de epi del griego
capas y taxis ordenadas. La principal
característica del mismo es que en
la deposición se consigue la misma
estructura cristalina que en sustrato
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
TECNOLOGIA “TRIPLE-JUNCTION”
• Cada tipo se caracteriza por un máximo de longitud de onda más allá del
cual no es capaz de convertir los fotones en energía eléctrica.
• Por otro lado, por debajo de esta longitud de onda, el exceso de energía
transportada por el fotón se pierde.
• De ahí el valor de la selección de materiales con longitudes de onda tan
cerca el uno al otro como sea posible, de forma que absorban la mayoría
del espectro solar, generando un máximo de electricidad a partir del
flujo solar.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
CURVAS DE CORRIENTE – VOLTAJE (I - V)
• Voltaje de circuito abierto VOC
• Corriente de cortocircuito ISC
• Potencia Máxima (rectángulo)
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
CURVA DE POTENCIA – VOLTAJE (P - V)
• Los puntos de la curva corresponden al producto
del voltaje por la corriente
P=VxI
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
PARAMETROS DE UNA CELDA SOLAR
Voltaje de circuito abierto: VOC
• Es el voltaje máximo generado por la celda solar (valor máximo de voltaje en
una curva I-V). Corresponde al punto de operación para un dispositivo FV
conectado a una carga infinita o condición de circuito abierto.
Corriente de corto circuito: ISC
• Es la corriente máxima generada por la celda solar (valor máximo de
corriente en una curva I-V). Corresponde al punto de operación para un
dispositivo FV bajo una condición de corto circuito o sin carga.
Punto de Máxima Potencia: PMP
• Punto de operación de máxima producción de potencia de salida. (es el
punto de operación en una curva I-V donde el producto de la corriente y el
voltaje es máximo).
Factor de Forma: (FF)
• Concepto geométrico de la forma característica de la curva I-V. El Factor de
Forma (Fill Factor) es la relación entre la potencia máxima y la producto del
voltaje de circuito abierto por la corriente de corto circuito.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Factor de llenado (fill factor)
• Cociente entre el rectángulo
de máxima potencia y el
rectángulo inscrito entre el
voltaje de circuito abierto y
la corriente de corto
circuito.
• Esta medida nos da una idea
de la calidad de la celda
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
PARAMETROS DE UNA CELDA SOLAR
Eficiencia: ƞ
• Cociente entre la potencia máxima de salida y la potencia
de irradiación que incide sobre ella, expresada en
porcentaje, para un área activa de la celda A que está
expuesta a una radiación con un valor de irradiancia Pi.
Punto de Operación:
• El punto de operación en una curva I-V está determinado
por la carga eléctrica del sistema.
Resistencia del Sistema:
• Cualquier aparato eléctrico de impedancia resistiva RL
conectado a la celda solar, define un voltaje de operación
VOP y una corriente de de operación IOP, la cual dependerá
del valor de RL
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA CELDA
• La resistencia en serie de un dispositivo FV incluye la resistencia de la
celda, de sus contactos eléctricos, de las interconexiones del módulo y del
alambrado del sistema.
• Al incrementarse la resistencia en serie se reduce el voltaje sobre la curva
I-V, también disminuye la potencia máxima, el factor de forma (FF) y la
eficiencia.
• La resistencia en paralelo resulta de las corrientes de fuga dentro de una
celda, un módulo o un panel .
• Un descenso de la resistencia en paralelo reduce el factor de forma (FF) y
la eficiencia, además que disminuye el voltaje, la corriente y la potencia
máximos, pero no afecta el valor de la corriente de corto circuito
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Efecto de la radiación y la temperatura
Condiciones estándares de prueba
(STC : Standard Test Conditions).
• Intensidad de 1000 W/m2. (1000 watts/m2 o
100 mW/cm2)
• Con un espectro correspondiente a una masa
de aire AM1,5 incidiendo normalmente sobre
la celda
• Temperatura de celda: 25°C.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Efecto de la radiación y la temperatura
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Efecto del área de la celda
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Conexión tipo serie de dos celdas
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Conexión tipo paralelo de dos celdas
•
•
Celdas idénticas conectadas en serie incrementan el voltaje de la configuración,
conservando una corriente que es igual a la corriente de cualquiera de los elementos
Celdas conectadas en paralelo, incrementan la corriente manteniendo un voltaje que es
igual al voltaje generado por uno de los elementos de la configuración.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE UN MODULO
Las características eléctricas de un módulo fotovoltaico se obtienen de la misma manera
que para una celda solar.
Los cuatro parámetros eléctricos mostrados sirven para identificar al módulo son:
voltaje de circuito abierto del módulo, VOC
corriente de corto circuito del módulo, ISC
voltaje VMP y la corriente IMP
(punto en el cual el módulo genera la máxima potencia PMP )
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla
Efecto de la intensidad luminosa
Los cambios en la magnitud en la irradiancia producen cambios en las
características eléctricas del módulo. Ya que el módulo lo forman un cierto
número de celdas conectadas en serie (ó en paralelo), la forma de las curvas I-V
de un módulo será la misma que para una celda.
La temperatura que puede alcanzar la celda solar, cuando está en operación en
un módulo (a la que se le llama temperatura de operación) depende de la
irradiancia, de la temperatura ambiente, de la velocidad del viento y del tipo de
encapsulamiento, a través del cual se disipa el calor.
Universidad de Costa Rica EIE, Versión 1, Profesor José A. Conejo Badilla