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Centro de Investigación en Energía
Coordinación: Materiales Solares
Celdas solares
Principio de funcionamiento
Son dos los procesos con los cuales el ser humano puede
aprovechar la energía proveniente del sol. Uno de ellos se realiza
por medio de procesos fototérmicos (calentamiento de fluidos); y
el otro es por medio del efecto fotovoltaico, proceso a través
del cual la energía solar se convierte en electricidad sin usar
ningún proceso intermedio. Los dispositivos donde se lleva a
cabo esta transformación se llaman generadores fotovoltaicos y
la unidad mínima donde se realiza dicho efecto se les llama
celdas solares. Podemos definir el "efecto fotovoltaico" como la
generación de una fuerza electromotriz como resultado de una
radiación ionizante en un material. Dicho efecto puede ocurrir en
gases líquidos y sólidos, pero es en los sólidos, especialmente en
los semiconductores que se observan eficiencias aceptables de
conversión de energía solar a energía eléctrica. (1)
Para que ocurra el efecto fotovoltaico se requiere lo siguiente (fig 1):
• La absorción de luz en un material semiconductor.
• Generación y separación de un exceso de portadores de carga (electrones
y/o huecos).
• Estos portadores de carga deben estar separados por la acción de un
campo eléctrico interno.
• El tiempo de vida media de los portadores debe ser lo suficientemente
grande para poder ser colectados por los contactos eléctricos y participar
de está forma en el voltaje de salida.
Fig. 1 Absorción de luz en un material semiconductor
La estructura básica de una celda solar de unión p-n se muestra en la
fig. 2 su funcionamiento radica en que al recibir la radiación luminosa
en forma de fotones, parte de ella será absorbida por algunos
electrones de valencia en ambos semiconductores, creándose un
electrón fotogenerado y
por consecuencia dejando un hueco
fotogenerado. Estos portadores de carga fotogenerado viajan dentro de
la estructura hacia la unión, bajo un gradiente de concentración. En
dicha unión radica el campo eléctrico externo que actúa sobre estos y
los separa, mandando a los electrones generados al lado n y a los
huecos al lado p. La concentración de electrones fotogenerados en el
lado n y de los huecos en el lado p, son los responsables que aparezca
un fotovoltaje, el cual impulsará hacia el exterior a dichos portadores de
carga, produciéndose una corriente IL, si se coloca una resistencia de
carga en los extremos de la celda solar. (2)
Fig. 2 Sección transversal de una celda solar tipo p-n. (2)
Celda solar en oscuridad y en circuito abierto
• Generación nula
•Recombinación nula
•Ningún portador en
exceso
•Vosc=0
Celda solar en iluminación y en circuito abierto
•Generación
•Recombinación interna
•Portadores con “mucho
exceso”
•Voc>0
Celda solar iluminada y en carga
• Generación
• Recombinación interna
• Recombinación externa
• Portadores con “menos”
exceso
• V<Voc
Parámetros característicos de una celda solar
Característica I-V ideal.
Los principales parámetros característicos de una estructura
fotovoltaica son: el voltaje del circuito abierto, VOC; la corriente a
corto circuito, ISC; la corriente de saturación, I0; el voltaje máximo
que origina la potencia máxima, VM; la corriente máxima que origina
la potencia máxima, IM; la potencia máxima PM y FF, es el factor de
llenado, el cual representa la cuadratura de la curva I-V (Fig.4) en
términos de ISC y VOC. Dichos parámetros se determinan a partir de
la ecuación (3) y de la medición de respuesta corriente-voltaje. Una
medición corriente-voltaje, es aquella en la que se aplican una o más
diferencias de potencial (o voltajes) y se mide la corriente I que pasa
por el material o dispositivo. Si se hace una medición I-V aplicando
varios potenciales y midiendo sus respectivas corrientes, tendremos
una serie de puntos en el plano I-V, que al unirlos formaran
una curva, a la cual llamaremos la “característica I-V” del material.
La expresión ideal para la corriente que atraviesa la unión de una
celda solar en la oscuridad está dada por: (3)
La expresión ideal para la corriente que atraviesa la unión de una
celda solar en la oscuridad está dada por: (3)
 e(V  IRS )  V  IRS
I  I 0 e AKT  1 
RP


Donde RS, es la resistencia en serie de la celda; RP, es la
resistencia en paralelo; K, es la constante de Boltzman; T, es la
temperatura en grados Kelvin; I0, es la corriente inversa de
saturación; A, es la constante de idealidad del diodo; e, es la
carga eléctrica del electrón y V es al potencial aplicado.
Para una celda solar ideal, I0 y A no son funciones de la
iluminación, en tanto que la resistencia paralela de la unión se
considera infinita.
Bajo condiciones de iluminación, la ecuación (1) se escribe como:
 q (V  IRS )

AKT
I  I 0 e
 1  I L


Donde IL, es la magnitud de la corriente fotogenerada.
La curva I-V dependerá de varios factores, tales como iluminación,
temperatura, tensión, etc. (fig. 3.)
Fig. 3 Característica I- V del material semiconductor
Cuando se tiene una celda solar real, la resistencia en serie y paralelo
pueden afectar el transporte eléctrico en la unión de manera que la
consideración de RP =  ya no puede ser valida (fig. 4). La resistencia en
serie involucra la resistencia volumétrica de los materiales que integran la
unión, así como también la resistencia de los contactos. La resistencia en
paralelo se relaciona con las corrientes de derivación que se manifiesta
por efecto túnel en la interfaz de la unión, así como corrientes de fuga a
través de la unión debido a imperfección en el plano de la unión. (21)
Fig. 4 Circuito eléctrico equivalente para una celda solar.
La figura 5, muestra que las graficas de las ecuaciones (1) y (2) para
una celda solar ideal, permitiendo establecer las siguientes
expresiones utilizadas para describir la eficiencia fotovoltaica.
I M VM
PM
FF 

I SCVOC I SCVOC
Fig. 5 Factor de llenado
PINC, es la potencia de la intensidad luminosa incidente; VOC,
es el voltaje del circuito abierto; ISC, es la corriente a corto
circuito; VM, es el voltaje que origina la potencia máxima; IM,
es la corriente que origina la potencia máxima (PM) y FF, es el
factor de llenado y representa la cuadratura de la curva I-V
(fig.6) en términos de ISC y VOC.
Fig. 6 Representación esquemática de la variación típica de la corriente
como función del voltaje (curva I-V), para una celda solar en la oscuridad y
bajo iluminación.(4)
En la Fig. 4 se encuentra representado el traslado que sufre la curva
I-V en la oscuridad, hacia abajo, una magnitud igual a la corriente
fotogenerada IL, sin que se presenten cambios en la forma de la
curva. Esta característica indica que ISC = - IL .
REFERENCIAS
(1) Aarón Sánchez Juárez, notas del curso de
actualización en energía solar. Temixco, Morelos 1996. (6)
(2) Notas del
solar;1997. (11)
curso
de
actualización
en
energía
(3) Fahrenbruch, A.; Fundamentals of Solar Cells, Edit
Academic Press, Boston U.S.A, 1983. (21)