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Unión PN
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Diodo Laser
Fotodetectors
Transistores
Unión PN
Source: Wikipedia
LED: Polarisación Directa
Celda solar
El problema con esta disposición es que la unión PN captaría
muy poca luz.
Celda solar
Si el semiconductor N es muy delgado a través de él se
puede incidir mucha mayor luz hacia la unión PN
Celdas de Primera
generación



Eficiencia límite: 31%
Monocristalina: - 16-19%
Policristalina - 14-15% efficiency
Silicon Cell Average Efficiency
Banda prohibida (band gap)
Una banda prohibida pequeña sería deseable porque
aprovecharía más longitudes de onda de los fotones
del sol pero, en contraparte, entre más amplia la
banda prohibida más fuerte es el campo eléctrico
generado cuando se forma la unión PN.
Una banda ideal en la práctica debería de estar entre
1.0 y 1.7 eV para producir suficientes electrones sin
mucho calor.
Source: Wikipedia
Shockley-Queisser eficiencia límite
Banda prohibida (band gap)
Material
Symbol
Band Gap (eV)
Silicon
Si
1.11
Cadmium
telluride
CdTe
1.49
Cadmium
selenide
CdSe
1.73
Copper oxide
CuO
1.20
Gallium
arsenide
GaAs
1.43
Indium
phosphide
InP
1.35
Selenium
Se
1.74
Source: Wikipedia
Circuito Equivalente
Ecuación característica
Radiación Cuerpo Negro
El espectro del sol
The entire spectrum is
not available to single
junction solar cell
El espectro del sol
• Ultravioleta: 0.20 - 0.39 µm
• Visible: 0.39 - 0.78 µm
• Cercano Infrarojo: 0.78 - 4.00 µm
• Infrarojo: 4.00 - 100.00 µm
99% de la radiación está ubicada entre 0.3 y 2.8
µm
El pico está en 0.483 µm
La intensidad de la radiación afuera de la atmósfera es
de 1370 W/m2
En la superficie de la tierra es de alrededor de 1000
W/m2
Celda Solar Ideal
Una celda solar ideal aprovecharía todas las
longitudes de onda del sol.
Esto no es posible en una simple unión PN
debido a la naturaleza estrecha de su banda
prohibida.
Las celdas de múltiples capas (unas sobre
otras) aprovechan mejor el espectro solar si
las diferentes uniones tienen diferentes
bandas pero dentro del espectro solar.
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)
Tipos de cristales



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
Tipos de cristales
Obtención del silicio




El Silicio se obtiene a partir de elementos como arena o
la cuarcita (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.
Cuarcita
Cuarzo: SiO2
Tecnología de fabricación
Producción de Silicio Policristalino

Proceso


Consiste en llevar los granos de cuarcita a temperaturas
sumamente elevadas, agregando carbón para eliminar el
oxigeno presente en la cuarcita 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

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
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
12V, 24V y 36V
Este voltaje se alcanza conectado 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%
FIN