Download Eficiencia de conversión límite de las células fotovoltaicas

Eficiencia límite de las células
fotovoltaicas.
Moisés Garín Escrivá
Índice
• Introducción.
– Repaso células fotovoltaicas
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Eficiencia máxima en células de unión
Eficiencia máxima en células termodinámicas
Eficiencia máxima en células tándem
Comparativa
Sumario
Célula solar. Funcionamiento
• Los fotones se absorben por efecto fotovoltaico
• Cada fotón genera un par electrón hueco
• La unión PN permite extraer los portadores fotogenerados
Célula solar. Modelo
V  R sI
nkT
I  IL  I0 e
V

RSH
Pmax  I maxVmax  I ocVoc FF
Variables de interés
I max Vmax
FF 
I ocVoc
Análisis de la eficiencia límite
Células multigap ( >1 mat. semiconductor)
Límite termodinámico
Células monogap (1 mat. semiconductor)
Límite termodinámico
Células con unión PN
Límite de la estructura
Célula de unión
FF 
voc  ln voc  0.72 
voc  1

I sc  q  S ( E )dE
EG
Voc  n
kT  I sc 
ln
 1
q  I0

 D A ni 2 D A ni 2 

I 0  Aq


 Le N A L A N D 
Suponiendo silicio y valor
mas favorable de I0
  25 %
Célula termodinámica (1)
• Calculamos la eficiencia basándonos en un
principio de equilibrio termodinámico
• No se tiene en cuenta la estructura de la
célula completamenta
• Únicamente se considera el material
absorbente de la luz
Célula termodinámica (2)
• Superficie frontal texturizada
• Absorción
– Efecto fotovoltaico
– Portadores libres
• Recombinación en el bulk
– Auger
– Radiativa
• Se considera reabsorción de
fotones
Célula termodinámica (3)
Emisión por efecto cuerpo
negro bajo iluminación
Reabsorción
V 
a ( E )  bn ( E ,T )  exp 
 kT 
Si
Oblea Si
a (E ) 
 2 ( E)
 1 ( E)   2 ( E) 
dV
1
2
4n L
V 
Gr  exp   2 ( E ) a( E) bSi ( E, T ) dEd
 kT 
Célula termodinámica (4)
En equilibrio térmico:
Generación = Recombinación
V 
exp   2 ( E ) a( E) bn ( E, T ) dEd
 kT 
I SC
I

 Rrad  Rau 
qL
qL

I sc  q  a ( E ) S ( E )dE
0
resolviendo numéricamente 
 max  30 %
Célula tándem
• Mejor acoplo al
espectro solar
• Mayor voltaje de salida
• Mal rendimiento en
espectros diferentes
Máxima eficiencia: 85 %
Comparativa
Sumario
• Eficiencia máxima de una célula
monocristalina de Si es de un 30 %.
• Si consideramos además la unión PN el
rendimiento máximo es de un 25 %
• En células tándem la eficiencia máxima es de
un 85 %
• Las células fotovoltaicas es el sistema de
conversión de la energía solar más eficiente
Bibliografia
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Basado en:
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