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PLACAS SOLARES
Jose María Conesa Alonso
Alicia García Moreno
Lorena Lim Arriola
Miguel Marín Sánchez
José Manuel Sancho Gómez
Conceptos básicos


Efecto fotovoltaico: conversión de luz en
electricidad.
Materia: constituida por átomos
Núcleo: carga eléctrica positiva y neutrones.
 Electrones: carga eléctrica negativa. Los electrones
de la última capa son electrones de valencia que al
unirse con otro forman redes cristalinas.

Tipos de materiales



Conductores: electrones de valencia poco
ligados al núcleo.
Semiconductores: electrones de valencia más
ligados al núcleo.
Aislantes: configuración muy estable.
Los materiales usados en las celdas solares son
los semiconductores.
Celdas solares


Transforman directamente la energía solar en energía
eléctrica.
Energía resultante de reacciones nucleares de fusión.
Estructura semiconductores


Materiales: Si, Ge, P, As.
Estructura del Si:



segundo elemento del planeta más abundante.
14 electrones y 14 protones, 4e- de valencia.
se presenta en la naturaleza de dos formas distintas, una amorfa y otra
cristalizada
Semiconductor “tipo I”

Celda elemental de Si:


se unen 5 átomos del material, enlace covalente.
no hay electrones libres, por lo cual se denomina conductor
intrínseco o “tipo I”.
Semiconductor “tipo N”


Si incorporamos una
impureza, P (5 electrones
de valencia) habrá un
electrón libre.
El material tendrá exceso
de cargas negativas.
Semiconductor “tipo P”


Si incorporamos B (3
electrones de valencia)
aparecerá un hueco.
No se produce enlace
covalente y hay exceso de
cargas positivas.
Unión “NP”





Unión de material “tipo N” y “tipo P”.
Los electrones sobrantes del material N
pasan hacia el material P y los “huecos”
del material P pasan al material N.
Cuando la luz incide sobre el
semiconductor, se liberan electrones del
átomo de Si, se rompe el equilibrio de la
unión NP y se producen los
denominados par “electrón-hueco”.
Se genera un campo eléctrico que al
conectar una carga externa entre ambas
zonas, genera la corriente eléctrica.
Para el Si, se pueden obtener potenciales
de aproximadamente 550mV.
Tipos de celdas de Si

Monocristalinas:




Policristalinas:



estructura atómica muy ordenada.
rendimiento entre el 15% y el 18%.
difícil construcción, alto precio.
estructura atómica no tan ordenada como en el
monocristalino.
rendimiento entre el 12% y el 15% .
Amorfas:



estructura atómica bastante desordenada.
rendimiento es inferior al 10%.
fabricación sencilla, más barato.
Elementos de una celda solar de Si



Un contacto superior en la zona del material “tipo N”.
Dos semiconductores “tipo N” y “tipo P”.
Un contacto inferior en la zona del material “tipo P”.
Características de las celdas solares


Características I-V
 Voltaje de circuito abierto VOC
 Corriente de cortocircuito ISC
 Potencia Máxima (rectángulo)
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
Eficiencia celdas solares


Definición :Relación entre la
potencia eléctrica generada
por unidad de área (W/m2)
y la irradiación solar
incidente (W/m2) para
obtenerla
Máximas eficiencias teóricas
para las celdas solares para
diversos materiales (J.J.
Loferski 1963)
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
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
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

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.
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
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
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
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Método Flotante (FZ)

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

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
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
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
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
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
Inferior : material conductor
simple (aluminio)
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio

Celdas de Arseniuro de Galio (GaAs)


Eficiencias mayores a las de Silicio.
Algunos fabricantes, como Spectrolab, han
construido celdas con multijunturas,
superponiendo junturas específicas para un
determinado espectro de la luz solar y así
aprovechar totalmente el espectro
Fabricación de módulos



o
o
o
Fragilidad
Condiciones atmosféricas
Deben ser empaquetadas en un módulo
Los módulos se utilizan para cargar baterías
Son fabricados para entregar un voltaje nominal de
12Vdc.
Este voltaje se alcanza conectado 36 celdas en serie.
Fabricación de módulos
1)
2)
3)
4)
5)
La celda es colocada en un
encapsulante (EVA)
Parte superior: vidrio
templado
Parte inferior: substrato a
base de resina
El modulo se trata a
temperaturas de 175ºC y
presión uniforme.
Se sella y se ajusta a un
marco de aluminio
ionizado.
Fabricación de módulos.
Caracterización



N celdas en serie o en
paralelo, la potencia total
de salida es
WP = N · (IP · VP)
IP = corriente peak de la
celda
VP = voltaje peak de la
celda
Característica
Silicio
Ip [mA/cm ]
28
VP [V]
0,5
WP [mW/cm ]
14
VOC [V]
0,6
Fabricación de módulos. Factores
que afectan al rendimiento




Radiación solar : bajos niveles / altos niveles de voltaje
de salida
Concentrador estático : Encapsulado que aumenta el
rendimiento.
Temperatura de operación : Un aumento de esta hace
que la corriente aumente pero el voltaje disminuya
Sombra : Disipa la energía


Una celda sombreada afecta al módulo completo.
Solución : diodos “bypass”
Fabricación de módulos.
Concentradores estáticos

Prismático simple SPC (Simple Prism
Concentrador)


Célula solar bifacial vertical



Ganancia = 3,5
Poca utilidad práctica
Célula solar bifacial horizontal


Ganancia = 1,75.
Ganancia = 3,8
Concentrador Estático de Material
Transparente Reflexivo

Ganancia = 15%
Silicio negro



Entre 100 y 500 veces más sensible a la luz del sol.
Obtención: haciendo brillar brevemente un láser sobre
una lámina de silicio a la que han agregado
hexafluoruro de azufre.
Paneles solares de gran eficiencia.
Óxido de Titanio
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
Técnica que no emplea el silicio purificado sino que
esta basada en nanoestructuras de óxido de titanio.
Al ser nanoestructuras son introducidas en sprays.
Buena respuesta ante intensidades lumínicas variables y
una tasa de conversión de energía lumínica en
electricidad estimada en el 11%.
Transforma amplias superficies de acero en superficies
captadoras de energía solar, lo que abaratara en gran
medida el coste por KW.
FIN