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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