Tecnología de Células y Módulos JESÚS PIÓN j25david@hotmail
[email protected] .com Universidad de Jaén, Tec. Sis, Energía Solar fotovoltaica Profesor: Pablo García - Linares Colombia, 2016 EJERCICIO 1
Defina los conceptos de resistencia serie y resistencia paralelo (también llamada resistencia Shunt) de una célula solar. Resistencia en serie: La resistencia en serie es una de las características intrínsecas de la celda solar y mecanismo de perdidas, esta obedece a una resistencia interna de las células fotovoltaicas, en la cual se causan pérdidas Óhmicas en los electrodos producto de los malos contactos entre estos y el cuerpo de la célula, por las capas conductoras o las rejillas colectoras. Resistencia en Paralelo: La resistencia paralelo o shunt es otra de las características intrínsecas y de pérdidas de la celda solar, esta viene dada por imperfecciones de la Unión p-n, de la estructura cristalina o interconexión deficiente entre los buses recolectores, en las cuales se presentan dislocaciones, conllevando a los picos de difusión en las fronteras de grano y fugas de corriente que tienden a circular a través del dispositivo.
Explique cómo se ve afectada la forma de la curva I-V de una célula solar en los siguientes casos. 1. Cuando la resistencia paralelo es muy baja. En la gráfica que se muestra a continuación, se muestra la respuesta r espuesta del sistema I-V frente a una resistencia Shunt baja.
Al observar la gráfica, se puede observar la curva I-V frente a una resistencia Shunt muy pequeña y en la cual se obtienen las siguientes conclusiones.
La corriente de cortocircuito no se ve afectada La corriente de operación se ve afectada de manera significativa. La tensión de circuito abierto se ve afecta ligeramente.
De esto se puede concluir que el FF (factor de Forma), también se ve afectado, reducido.
2. Cuando la resistencia seria es alta.
Observando la gráfica del comportamiento I-V de una celular solar con una resistencia en serie muy alta, podemos observar que:
La corriente de cortocircuito de se ve afectada. (Se reduce). No se ve afectada la tensión de circuito abierto. La tensión de operación se ve afectada de manera significativa.
De esto se puede concluir que el FF (factor de Forma), también se ve afectado, reducido.
3. Cuando su resistencia seria es muy baja y su resistencia paralelo muy alta: Este caso sería la combinación de los dos casos citados anteriormente, para lo cual se concluye que la célula no es de buen calidad en cuanto a su proceso de fabricación, y los parámetros voltaje de circuito abierto, corriente de cortocircuito, y la tensión de operación no serán las ideales para el buen rendimiento de la célula, por tanto los valores ideales serian resistencias seria bajas Rs=0; y resistencia paralelo Rsh=M Ω, con lo cual se aseguraría una buena eficiencia de conversión.
Defina las distintas componentes de la resistencia Serie de una célula solar y las distintas causas que las puedan originar. Resistencia de capas de semiconductor: Característica del propio material semiconductor que tiendes a ofrecer cierta oposición al paso de la corriente, por lo que lo ideal es la producción de células cada vez más delgadas pero sin sacrificar capacidad de absorción. En el emisor y en la base de la célula tiende a haber una Rs, debido a la dirección en que fluyen los portadores e impurezas en el material. Resistencia de contactos metálicos en el semiconductor: Esta es producto de los malos contactos entre metal y semiconductor lo cual representa resistencia, razón por la cual se dopa en mayor proporción las zonas en donde radican los estos contactos. Resistencias de mallas de metalización: Cuando la malla de metalización es muy fina origina grandes caídas resistivas, sin embargos estas son contribuyentes a una mejor captación de la radiación.
EJERCICIO 2
Explique la estructura de las células HIT (H eterojunction with I ntrisis Thin Layer ).
Las Heterojunction with Intrisis Thin Layer o heterounión con capa delgada intrínseca, fue una evolución de la inicial tecnología de Heterounion, en las primera experimentaciones de heterounion se obtuvieron porcentajes de eficiencia alrededor de 12%, sin embargo, algunos parámetros como el Voc y el FF eran muy pobres frente a otras tecnologías más convencionales.
Estructura de una Celula HIT, Fuente: Página oficial de Panasonic.
Las HIT representaron un avance muy significativo, el cual se dio cuando Sanyo-Panasonic, introduce una capa muy delgada de silicio amorfo hidrogenado (a-Si-H) intrínseco entre la oblea y la capa de dopaje, tecnología que fue llamada HIT, con la cual se consigue mejorar la pasivación ( Inconveniente inicial ) del dispositivo que se interpreta como la disminución de la recombinación superficial, trayendo consigo corrientes de saturación disminuidas y Voc mayores a los conseguidos anteriormente.
Enuncie las principales ventajas sobre las células de silicio cristalino convencionales La tecnología HIT está caracterizada frente a las células de silicio cristalino convencional por poseer una eficiencia muy alta a en elevadas temperaturas (a diferencia de los módulos de silicio policristalino o monocristalino). Debido a esta característica, tienen la capacidad de mayor entrega de energía, bajo las mismas condiciones de potencia nominal, por otro lado tiene un menor espesor que conlleva a un ahorro significativo de la materia prima de producción (Silicio), además, como su proceso de producción es a temperaturas relativamente bajas (<300ºC) representa un ahorro de energía.
Busque y cite al menos 3 artículos relacionados con las células HIT. Describa someramente el objetivo y los logros expuestos en el artículo. Articulo 1: Bingyan REN. E ffect of H treatment on performance of H I T solar cells ” , “
Rare Metals, Volume 25, Issue 6, Supplement 1, October 2006.
En los últimos años, la evolución de la mejora de la producción energética por células solares ha tomado gran fortaleza, siendo unos de los principales objetivos la mejora de la eficiencia y el bajo costo de las mismas. En este trabajo, se busca principalmente el mejoramiento de la eficiencia mediante la optimización de la pasivación del dispositivo, para lograr esto se plantea realizar un pretratamiento especial a base de H a nivel atómico en la capa que es depositada entre nc-si: H / c-Si, mediante el control de los parámetros del procesos, y con lo cual se espera que este pretratamiento de la superficie de c-Si contribuya a la pasivación superficial del mismo. Este tratamiento es realizado por (PECVD), (Deposito químico en fase de vapor, asistido por plasma de radiofrecuencia) Luego de la experimentación se obtuvieron los siguientes resultados; El FF y la eficiencia fueron mejorados por el aumento de potencia. Debido a que el tratamiento de H no sólo limpia La superficie, sino que también pasiva los estados superficiales por ataque químico.
La pasivación de la interfaz por tratamiento de H por un tiempo de 5 min es satisfactoria, Sin embargo, el tratamiento con H prolongado más de 5 min resulta ser perjudicial para la interfaz, debido a que desgasta la superficie.
Artículo 2: Xin Wang, “Radial Junction Silicon Nanowire Photovoltaics With H eterojunction With I ntrinsic Thin L ayer (H I T) Structure ” , 07 September 2016.
En el trabajo descrito en este artículo se busca el aumento de la eficiencia, proponiendo una estructura radial de nanohilos de silicio lo cuales son depositados mediante sintetizacion de vapor-liquido en la capa de silicio amorfo hidrogenado, y también se depositaron contactos de Oxido de Indio como antireflectante sobre la capa tipo n, con el objetivo de aumentar la absorción de la luz. Luego de la experimentación se obtuvieron los siguientes resultados; la capa intrínseca de silicio amorfo hidrogenado mostro una mejor pasivación en la superficie donde estaban los nanohilos, obteniendo excelentes resultados en los parámetros Ics, Voc, FF, sin embargo la eficiencia total del dispositivo disminuyo debido a que se registraron mayores corrientes de fuga y menos Voc.
Artículo 3:
Vikrant Sharma, O.S. Sastr , “Degr adation
analysis of a-Si, (H I T) hetro-junction intrinsic thin layer silicon and m-C-Si solar photovoltaic technologies under outdoor conditions” , Volume 72, 1 August 2014.
El trabajo descrito en este artículo, está encaminado en un estudio inicial de la degradación de 3 tipos de tecnología de producción de energía fotovoltaica, a-Si (silicio amorfo de una sola unión), HIT (hetro-unión intrínseca de capa fina de silicio) y mC-Si (silicio multicristalino), la confiabilidad de cualquier dispositivo es uno de los aspectos más importantes de las grandes producciones, razón por la cual se decide colocar a estas 3 tecnologías a la intemperie en un ambiente en la India, por un tiempo de 28 meses. Después de este tiempo establecido el 50% de los módulos m-C-Si mostraron oxidación de los dedos de metalización de la rejilla delantera y de revestimiento antirreflectante en múltiples lugares, estos defectos en tan corto tiempo fueron encontrados en la inspección visual, sin embargo en los módulos de tecnología HIT no se observó defectos visuales, salvo la suciedad propia entregada por el ambiente, la degradación de la Pmax fue muy pareja en las 3 tecnologías, por otra parte el autor recomienda que para obtener datos más fiables, en cuanto a los parámetros de operación de cada tecnología deberían ser expuesto a un tiempo mínimo de 10 años.
EJERCICIO 4
Explique los diferentes mecanismos de pérdidas a los que está sometido una célula solar y relaciónelos con el gap del semiconductor y con el espectro de la luz que lo ilumina. Los mecanismos de perdida a los cuales está sometida una celular solar, están directamente relacionados con el Gap del material (Energía de la banda prohibida/ energía de enlace), y con el espectro de la luz debido a la relación existente entra la longitud de onda y la energía propia de los fotones pertenecientes a un determinado sector del espectro esta, a continuación se enuncian los tipos de perdidas: Perdidas por no absorción: Estas están representadas por los fotones con Eg (Energía del fotón), menor a la Gap, la cual no es capaz de romper los enlaces del material semiconductor, y los cuales atraviesan este sin ser absorbidos ni generar un par electrón-hueco. Perdidas por transmisión: Esta se dan debido a unos coeficientes propios de absorción del material y la anchura finita de la célula, para la cual algunos fotones con energía mayor o igual a la de Gap, pasan el material semiconductor sin ser absorbidos. En este caso en particular, aquellos fotones los cuales posean una Eg ligeramente superior a la Gap, aunque rompen el encale generando un par electro-hueco, el electrón no fue liberado con la energía suficiente para ser llevado a la banda de conducción, por tanto se recombina rápidamente. Perdidas por reflexión: Esta se da cuando una parte de los fotones indiferentemente de su energía se reflejan en la superficie del material debido a la diferencia de los índices de refracción.
Ahora bien basado en el espectro de la luz, cada uno de estos pose longitudes de ondas diferentes dependiendo de la zona referenciada, lo cual representa una energía contenida en los fotones diferente, los fotones con mayor longitud de onda, pertenecientes la luz infrarroja se posen energías que estan por debajo de 1,6 eV, entre 1,6eV a 3,1eV se encuentra el espectro de luz visible, y finalmente por encima 3,1 eV la luz Ultravioleta. Tomaremos como ejemplo el caso del Silicio; en este material aquéllos fotones que incidan sobre él y posean energías por debajo de 1,12 eV (Longitud de onda> 1100 nm ) no podrán romper enlaces causando pérdidas, por tanto solo un pequeño porcentaje de la luz infrarroja tendrá la capacidad de romper el enlace.
Explique la solución que encontraron los tecnólogos para reducir las pérdidas producidas por la alta velocidad de recombinación superficial en una celular solar. Luego de leer y analizar el documento de “Wu_3rd_Generation_PV ”, en el cual se
realiza una revisión de las técnicas usada para la mejora de la eficiencia de las células solares de tercera generación, y uno de los aspectos básicos a tratar fue le disminución de las pérdidas causadas por la velocidad de recombinación superficial, se logra determinar que una de las formas más sencillas y efectivas para la mitigación de las pérdidas causadas por este fenómeno, es la “conversión del espectro policromático” de las luz solar. De esta forma que los fotones que posean una energía Eg, menor a la de la banda Gap, esta sea elevada con el proceso llamado Up-conversión, y aquellos fotones que posean un a Eg superior a la gap del material, ser reducidos a múltiples fotones de energía inferior mediante el proceso llamado dwon-conversion, procesos que llevaran al aumento de la energía recolectada de la célula solar. Esta propuesta representa la gran ventaja que solo el espectro solar entrante a la célula es modificado, y que es muy compatible con las tecnología ya existentes. “Los fotones de energía inferior se convierten en un fotón de energía más alta a través de dos sucesos de absorción subsiguientes. Este proceso se denomina absorción por estado fundamental / absorción por estado excitado (GSA / ESA). En el otro caso, los eventos de absorción ocurren entre iones separados donde un ion no radiativamente transfiere su energía a su vecino. Este proceso se llama conversión de transferencia de energía” - citado explícitamente del documento “ Wu_3rd_Generation_PV ” -
Analice y comparte tres tipos de tecnología de la llamada tercera generación, que hayan sido propuestos para superar la “Eficiencia límite de Schokley-Queisser”. La tecnología de células solares de tercera generación, son aquellas que combinan “lo mejor” por llamarlo así de los dos mundos, Primera y segunda generación, y en la cual
el objetivo principal es superar la eficiencia del límite de Schokley-Queisser. Entre estas tecnologías de nueva generación tenemos;
Tecnología de tercera generación.
Células Multifunción
Células de intermedia.
E structura/objetivo
Las células multi-unción, es una tecnología en la cual se apilan capas de diferentes células solares (Cada una con su unión p-n) de materiales los cuales posen Gap diferentes, en la cual se busca el aprovechamiento máximo del espectro solar. (Diferentes longitudes de onda/diferentes energías d fotones.)
Esta tecnología consiste en la estructura de una célula solar básica en donde existe una banda de Banda valencia, una banda de conducción, pero además se añade una banda intermedia, situada entre las dos anteriores.
En esta tecnología, se busca aprovechar al máximo la energía que poseen los fotones, (Aquellos que poseen un Eg>Gap del Células de portadores material), y la cual tiene dos formas de aplicarse para contribuir la calientes disminución de las perdidas; la cuales son por extracción de portadores calientes o por le generación de exitones múltiples.
Análisis de funcionamiento
Resulta ser una tecnología muy interesante debido a que los fotones de alta energía son absorbidos por la unión de gapband alta y los fotones de menor energía se absorben en el gap de banda más bajo. Esto permite absorber una gran parte del espectro solar evitando las pérdidas, buscando aumentar la eficiencia. Esta ingeniosa estructura tecnológica, en la cual se ubica una banda de gap intermedio entra las bandas de conducción y las de valencia, consigue que aquellos fotones que llegan al material con baja Eg (Energía
Investigación sobre dos de las técnicas de caracterización de cellas solares. Medida del tiempo de vida por transitori os de foto-conductancia: la medición de la calidad de las células de silicio es un factor de vital importancia para el control tanto de los procesos de fabricación como de la optimización de la tecnología fotovoltaica en particular. En esta técnica el factor relevante es el tiempo de vida de los portadores fotogenerados, y el tiempo de recombinación tanto en el volumen de la célula como en la capa superficial de la oblea.
En la actualidad la técnica de mayor extensión usada para la medición del tiempo de vida de los portadores en las obleas de c-Si, se basa en la técnica de la foto-conductancia, la cual es aplicada en muestras sin contactos (precursores del dispositivo) Principio de funcionamiento: Este está basado en el acoplo inductivo entre una bobina y una muestra, en el cual se busca por medio de un puente de radio frecuencia la detección del exceso de portadores que han sido generados por la incidencia de un rayo de luz (Fenómeno de fotoconductancia). En síntesis el equipo (Medidor de fotoconductancia Ej: WTC-120 de Sinton) realiza mediciones de la fotoconductancia a la vez que realiza variaciones en los niveles de intensidad lumínica por medio de una lámpara flash. Para esta técnica de caracterización existen dos casos límites:
Medición del estado cuasi-estacionario o QSSPC; en esta decae el haz de luz de forma muy lenta, de tal forma que se logre un equilibrio entre la fotogeneración y el fenómeno de recombinación de portadores, al mismo tiempo en el que se varia el nivel de iluminación.
La medida transitoria PCD; esta se caracteriza por que el flash de luz emitido aquí es muy corto, por tanto los portadores productos de la fotogeneración se recombinan ya sin Luz de la muestra.
Medida de las Caracterí sticas corr iente-tensión: Los equipos usados para la realización de esta medición, combinan una fuente de tensión enlazada con el sistema de medición de intensidad “Corriente”, en este sistema se requiere obtener curvas corriente-tensión en los cuatro cuadrantes, dato relevante para la caracterización de células bajo factores de iluminación, las medidas realizadas pueden ser d dos formas, a 2 o 4 puntas.
A 2 puntas son realizadas en pruebas pequeñas, debido a que la corriente de circulación es pequeña, por tanto no representara perdidas por conducción en loc cables.
A 4 puntas, esta técnica es usada para células solares, y mediante esta se reducen las pérdidas que serían ocasionadas por los cables conductores.
Las curvas de Tensión-corriente, son un factor importante en la caracterización de las células voltaje, más exactamente Intensidad de corriente, estas curvas son generadas bajo condiciones de oscuridad, y también bajo un nivel de iluminación a 1 Sol, del espectro AM 1,5, irradiancia 100 mw/cm2, y bajo condiciones de temperatura controlada, 25ºC.
REFERENCIAS
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