jueves, 26 de junio de 2014

Reference

This is a nice reference for all of the Photovoltaic Theory: http://www.nrel.gov/docs/legosti/old/1448.pdf

publicadas por JeanCarlos Chavarria @ 4:56 p.m.   1 Comentarios

sábado, 14 de junio de 2014

Proyecto de Investigación: Celdas Solares

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE-0119 Dispositivos Semiconductores

Celdas Solares: Principio físico, fabricación y operación.

Por:
Jean Carlos Chavarría Hughes
Jorge Soto Avendaño
Juan Sánchez Brenes

Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica


Noviembre, 2013

Resumen

Dado que la electricidad no está presente en la naturaleza como fuente primaria de energía, sólo podemos disponer de ella mediante la transformación de alguna otra forma de energía. Por esta razón han surgido plantas generadoras de energía a partir de combustible fósiles, pero dada la contaminación que estas emanan y sabiendo que es un recurso limitado, las llamadas "energías alternativas" llegan a ser la solución a decenas de problemas y complicaciones ambientales.
Los paneles solares trabajan de dos formas diferentes. Por una parte se tienen las celdas solares que convierten la luz solar en electricidad y aunque son algo costosos, se encuentran en algunas aplicaciones y productos. La otra forma de usar los paneles solares es aprovechando el calor del sol, en este caso, el panel solar atrapa el calor y calienta un líquido a su punto de ebullición. Con el vapor, se mueven turbinas y se genera la electricidad. Este proceso es simple, barato y efectivo.
En este texto se trata sobre tres grandes temas que son, la fabricación de las celdas solares y los materiales empleados, su eficiencia, y finalmente su principio físico de funcionamiento.

Índice


    Celdas tandem


Índice de figuras

Figura 1.1. Representación del interior de una celda solar.
Figura 1.2. Respuesta espectral de una celda tandem.
Figura 1. Esquema del circuito.
Figura 2. Densidad de corriente en función de la tensión.
Figura 3. Muestra el modelo de la celda solar con sus resistencia en serie.
Figura 4. Muestra el modelo de la celda solar con ambas resistencia no ideales.
Figura 5. Aumento de la resistencia en serie, Rs.
Figura 6.Disminuyendo la resistencia en paralelo, Rsh.
Figura 7. Potencia de una celda solar en función de la longitud de onda.
Figura 7.1. Relación de la eficiencia según el material empleado.
Figura 8. Relación entre el EQE y la densidad de corriente de cortocircuito, en función de la longitud de onda.
Figura 9, muestra la relación entre la longitud de onda y la frecuencia.
Figura 10. Posibles caminos que puede tomar un fotón en la celda solar.
Figura 11. Muestra la relación entre la temperatura y la movilidad de las partículas.

Introducción

Alcances

El presente texto presenta una investigación sobre los principales temas relacionados a las celdas solares, se encuentra dividido en tres grandes áreas que son: fabricación, principio físico y operación.
Primero se busca introducir al lector sobre los pasos que se siguen en la industria para lograr diseñar y construir celdas solares eficientes y de costo reducido, por lo cual también se trata sobre las nuevas tecnologías en materiales en las cuales se está investigando actualmente.
Luego se habla sobre el principio físico que rige el funcionamiento de una celda solar, sobre el porqué una unión p-n es necesaria en las celdas solares, así como también, los principios energéticos que se encierran en su interior.
Finalmente, se concluye hablando sobre los factores que reducen y determinan la eficiencia de operación de las celdas solares, además de presentar y explicar las ecuaciones necesarias para comprender el funcionamiento de las celdas solares desde un punto de vista eléctrico.

Marco Teórico

Aunque las celdas solares han estado disponibles recién mediados de los años 50, la investigación sobre el efecto fotovoltaico comenzó desde 1839, cuando el francés, Henri Becquerel, descubrió que una corriente eléctrica podría ser producida haciendo brillar una luz sobre ciertas soluciones químicas. [4]

Los sistemas fotovoltaicos son el conjunto de componentes mecanicos, electricos y electronicos que concurren para captar la energía solar disponible y transformarla en utilizable como energía eléctrica.[3]

Fabricación

A nivel industrial

La construcción general de una fotocelda se describe en general a partir de la unión NP de semiconductores extrínsecos como se menciona en el apartado de principios físicos. Una vez realizados los procesos de dopaje y revisiones en el funcionamiento del dispositivo la celda se debe proteger de tal manera que se evite el contacto con agentes como la humedad o el polvo, esto con el fin de garantizar una vida útil prolongada (cerca de 25 o 30 años) y un funcionamiento óptimo. La protección principal es el vidrio, sin embargo, también se aplican capas de polímeros que funcionan como aislantes eléctricos y protegen la celda de la humedad y suciedad.
La limpieza del vidrio antes de su colocación es de vital importancia, ya que si esta capa protectora no permite el paso de radiación solar disminuye la eficiencia de la fotocelda. Un punto importante del proceso de fabricación es que a pesar de que se utilizan estándares de producción en la industria, es común que no todas las celdas funcionen bajo las mismas especificaciones o entreguen la misma potencia, por lo tanto al momento de armar paneles solares (compuestos a partir de varias celdas conectadas en paralelo), se busca que la celdas cada uno de ellos sean lo más similares entre sí.

El proceso de empaque de las celdas en vidrio y polímeros se debe efectuar de manera hermética, ya que si entre las diferentes capas queda contenido aire pueden contener partículas de agua que causan humedad en el dispositivo, lo cual no es deseado.

Microscopía electrónica [10]

La microscopía óptica proporciona información para células solares y dispositivos semiconductores, y se utiliza durante el proceso de producción para controlar la calidad de la superficie de las células y obleas, así como de los contactos metálicos, capas, aislamiento de bordes y circuitos eléctricos. Debido a que la eficiencia y la rentabilidad son demandas fundamentales en el mercado, el control de calidad en los procesos de fabricación de  semiconductores es crucial ya que los defectos cristalinos o impurezas no deseadas en los materiales pueden causar la pérdida de eficiencia e incluso la inutilización de un dispositivo.

Fabricación de fotoceldas de Lámina delgada.

En la actualidad la tecnología de los TFPV (Paneles Fotovoltaicos de Lámina Delgada) se ha generalizado en los procesos de fabricación, lo cual convierte el examen de las microestructuras de las interconexiones entre los materiales en un punto clave del proceso de fabricación. Para este proceso de fabricación en particular la lámina delgada (1 µm de espesor) es depositada sobre vidrio, metal o plásticos flexibles.

La lámina delgada permitió aumentar la eficiencia de las celdas solares de un 18% a un 25% aproximadamente, además de volver las celdas más baratas y flexibles en comparación a las láminas tradicionales lo cual facilita su ensamblaje y producción en masa.

Además de componentes de silicio amorfo (10% de eficiencia) y policristalino (20% de eficiencia) dopados, para la fabricación de las celdas también se pueden mencionar otros semiconductores para crear láminas delgadas: cadmio-telurio (CdTe) y seleniuro de cobre-indio-galio (CuInGaSe).

Celdas solares orgánicas[11].

Otra área incipiente en el campo de las fotoceldas son las células orgánicas construidas a partir de semiconductores orgánicos, entre sus principales desventajas se pueden mencionar: bajo rendimiento, las bajas velocidades de conmutación debido a que se constituyen a partir de moléculas complejas y su alto costo de desarrollo y fabricación. Sin embargo, por sus compatibilidades biológicas se estima que a largo plazo puede sustituir al silicio en aplicaciones biomédicas  (por ejemplo en implementaciones invasivas y biosensores), además que pueden ser o no biodegradables dependiendo de los procesos de dopaje.
Como los materiales orgánicos basan su estructura a partir del carbono (Grupo IV de la tabla periódica), comparte características con otros elementos de la tabla se encuentran en el mismo grupo como el Germanio y Silicio.
No obstante compuestos orgánicos suelen comportarse como aislantes eléctricos y deben pasar por un  proceso conocido como conjugación, en el cual la molécula se reestructura de tal manera que el material en su mayoría contenga enlaces π y no σ. Los enlaces π son débiles e inestables por lo cual las denominadas moléculas π tienen niveles de energía de ruptura de enlaces mucho menores que permiten a los electrones alcanzar la banda de conducción y emular el comportamiento de un material semiconductor al punto de poder doparse y crear semiconductores orgánicos extrínsecos.
Las familias más comunes de polímeros conductores son derivados de poliacetileno, polianilina, polipirrol y polietileno. Estos compuestos son sintetizados de diferentes maneras, sin embargo los procesos más comunes son: oxidación química del monómero, oxidación electroquímica, oxidación en plasma y polimerización por condensación. Para obtener una buena eficiencia en una celda fotovoltaica orgánica el proceso de fabricación se debe realizar a bajas temperaturas lo cual ralentiza el proceso.
La construcción de una celda solar orgánica simple (OSC) se establece a partir de un semiconductor orgánico el cual actúa como capa activa entre dos electrodos metálicos. El ánodo habitualmente es un TCO (óxido conductor transparente) y el dispositivo completo se coloca en un soporte de vidrio o plástico.

Celdas solares de alta eficiencia

Celdas solares de Silicio con eficiencia mayor al 50 % [12]

Uno de los campos de mayor desarrollo en la actualidad es la eficiencia de conversión luz a electricidad por parte de las fotoceldas.  A pesar de ser un proceso en desarrollo se han  alcanzado eficiencias superiores al 50% lo cual es un logro significativo en el campo de investigación y desarrollo.

6-junction

Para estas celdas las dimensiones externas de la célula de silicio se fabrican de 2,5 mm2 de ancho y 8 mm de longitud con el fin de que encajen el paquete de celdas incrustado en el panel solar. Además,  las celdas son fabricadas utilizando 450 µm de espesor  de material tipo-p.
Las células poseen una región emisora  tipo-n activa en ambas superficies (delantera y trasera) de la celda con  dimensiones de 6,5 x 1,9 mm2. Los contactos metálicos están en a ambas superficies de la célula. Sobre la región N externa incide la luz solar, mientras la región P se encuentra en la parte interna de la célula. Los contactos metálicos están diseñados con una separación de 1,9 mm en la dirección lateral y 6,5 mm en el sentido longitudinal. Celdas múltiples son procesados ​​simultáneamente en cada oblea hasta que se completa el paso de metalización, momento en el que son cortadas en dados de la oblea para formar celdas solares individuales.

Multijunction solar cells for super-high efficiency  (In)GaAsN [13]

Estas celdas solares han logrado alcanzar una eficiencia entre 40% y el 50% a partir de nuevos enfoques  e introduciendo átomos de nitrógeno al compuesto InGaAs utilizado con anterioridad pero poco eficiente en el desarrollo de celdas solares por la baja movilidad de los portadores minoritarios (debido a la dispersión de la aleación). Esta configuración requiere formar entre 4 y 5 uniones diferentes entre los diferentes materiales utilizados.

A pesar de que la incorporación de N en las películas delgadas  permite aumentar la eficiencia en términos de la temperatura y la orientación del sustrato, la poca homogeneidad de estos átomos resta uniformidad en el funcionamiento de la fotocelda.


Principio Físico


Las celdas solares están formadas por una unión np, una delgada capa de material n sobre una delgada capa de material p.

Se explicará la formación de la unión np para el caso del silicio, uno de los materiales con los que se fabrican celdas. Inicialmente se cuenta con un material extrínseco tipo n (portadores negativos)  que fue bombardeado con fósforo o arsénico para aumentar su concentración de electrones. Además, se tiene un material tipo p (portadores positivos), que fue bombardeado con impurezas de Boro para aumentar la concentración de huecos. A pesar de las concentraciones de diferentes portadores, ambos materiales son eléctricamente neutros.

Cuando se unen un material tipo n con un material tipo p , por el fenómeno de difusión, los portadores negativos pasan hacia el lado p y los positivos hacia el lado n. La corriente producto de la difusión busca nivelar las concentraciones de portadores. Dicho movimiento produce un campo eléctrico producto del desbalance de cargas, el mismo va del material n al material p. El campo contrarresta el movimiento de portadores por difusión y en un punto se llega al equilibrio, en el cual la corriente de arrastre por difusión es igual en magnitud a la corriente producida por el campo eléctrico, como se observa en la Figura 1.1.
Figura 1.1. Representación del interior de una celda solar. Tomado de [6].

Los fotones son pequeños paquetes en los que la luz visible es emitida y absorbida. Cuando los fotones son absorbidos por las capas de la unión np (no todos se absorben, algunos se reflejan en la superficie y otros atraviesan todo el material), estos chocan con las partículas formadoras de enlaces covalentes y producen un par electrón-hueco. En otras palabras, la energía del fotón causa la separación de un electrón de la banda de valencia del material y consecuentemente deja un electrón libre en la banda de conducción y un hueco. El tiempo que un electrón permanece libre es muy corto. [1]

De acuerdo con el efecto fotoeléctrico, la energía mínima que el fotón necesita para cruzar de la banda de valencia a la banda de conducción (la diferencia entre bandas es conocida como band gap) debe ser igual a la función trabajo. Por otra parte, los fotones deben tener una frecuencia mínima llamada frecuencia de corte o umbral para mover exitosamente el electrón.

Se sabe que en la unión np hay un campo eléctrico en la dirección saliendo de material n y entrando al material p. En el caso del material p, cuando se libera un electrón y un hueco, el electrón pasa hacia la región n producto del campo eléctrico y tiene muy pocas posibilidades de devolverse debido a la barrera generada por dicho campo. El hueco se queda en el material p debido a la misma barrera. [1]

En el caso del material n, cuando se forma el par electrón-hueco, los huecos se ven influenciados por el campo eléctrico de la unión y pasan a la región p, mientras que los electrones permanecen en la región n por la repulsión creada por el mismo campo.

En este instante, el hueco y el electrón está en zonas donde predominan huecos y electrones respectivamente, por lo que hay pocas posibilidades de recombinación de un hueco con un electrón. Los pasos de portadores desde el material p hacia el material n, o viceversa, se dan siempre y cuando el portador encuentre más rápido el campo de la unión que la recombinación con un portador opuesto. [1]

Se tienen dos electrodos, uno negativo en el material n y otro positivo en el material p, si se conectan ambos electrodos a una carga, los electrones pasarían del material n al material p a través de la carga y se recombinarían con los huecos. El proceso se convierte en un ciclo, ya que la luz sigue causando el movimiento de electrones dentro del semiconductor y al pasar por la carga, se devuelven a donde inicialmente estaban. [1]

Celdas tandem o multi-junction


    Este tipo de celdas, como se mencionó anteriormente, se construyen para utilizar la mayor cantidad de energía de la luz. La escogencia de diferentes materiales se hace con el propósito de absorber fotones a diferentes frecuencias. Un fotón que tiene una longitud de onda pequeña (frecuencia grande) y mayor energía, será absorbido por un material con frecuencia de corte alta, ubicado de primero en la celda. Además, este tiene mayor eficiencia a frecuencias altas. Un fotón con longitud de onda grande (frecuencia pequeña) y menor energía, no logrará entregar su energía a los electrones del primer material y será absorbido por un material con menor frecuencia de corte, ubicado “detrás” del primer material. En la figura 1.2, se observa la eficiencia a diferentes longitudes de onda de los fotones. [12]

Figura 1.2. Respuesta espectral de una celda tandem.

Operación de las celdas solares.

Después de conocer los principios básicos de funcionamiento de los semiconductores y el funcionamiento de las uniones p-n, se puede comenzar a utilizar estos principios para encontrar un modelo eléctrico que permita representar el funcionamiento de una celda solar, tal y como lo plantea [2].

En el funcionamiento de una celda solar, se pueden encontrar dos tipos de corrientes, la corriente de iluminación y la corriente de oscuridad. En general, la corriente total producida corresponde a la suma de ambas, la cual se puede observar en (1)
I=Iph-I0(eqVKT-1)  (1)
Se puede observar que el primer término produce un aporte a la corriente final, mientras que el segundo término es una resta, esto es debido a que la corriente de iluminación la que se encarga de alimentar la carga, mientras que el segundo término es la corriente de oscuridad y se comporta como una pérdida producto de la recombinación de portadores.

Para los análisis del rendimiento de una celda solar, se prefiere el uso de la densidad de corriente, en lugar de la corriente misma, ya que es la que mejor expresa el rendimiento y permite hacer mejores comparaciones entre diferentes tecnologías.

Figura 1. Esquema del circuito para la ecuación (1).

Para el circuito de la figura 1, en modo de circuito abierto se tiene que, la corriente y por lo tanto la densidad de corriente son cero. La tensión de circuito abierto viene dada por:
Voc=KBTqIn(JphJ+1) (2)
Asi como tambien, en estado de cortocircuito:
J=Jph (3)
La densidad de corriente de cortocircuito depende de ciertos factores, como lo son:
  • Intensidad de luz incidente (número de fotones).
  • El espectro de la luz incidente.
  • Las propiedades ópticas (coeficiente de abstracción).
  • La probabilidad de colección.
w=J*V (4)
Donde, w:= densidad de potencia.

Figura 2. Densidad de corriente en función de la tensión. Tomado de [2]

La figura 2 muestra una gráfica de la densidad de corriente en función de la tensión de salida de la celda, donde se señalan cierto puntos importantes, primero se puede observar que Voc e Isc, corresponden a la tensión de circuito abierto y a la densidad de cortocircuito, respectivamente. Luego, los puntos marcado como Vmp y Jmp, corresponden a los valores de tensión y densidad de corriente, donde la densidad de potencia entregada es máxima. La curva en color anaranjado muestra la densidad de potencia en función de la tensión de salida.

Factor de forma (Fill Factor)


FF=PmaxJsc*Voc=Jmp*VmpJsc*Voc(5)
El factor de forma fill factor de una celda o panel solar es el cociente real de la potencia máxima y la corriente máxima, tal y como se observa en (5). Este parámetro es clave para evaluar el rendimiento de cada celda solar. Típicamente, este factor tiene valores de 0.7 y 0.8 para celdas habituales de silicio y galio, aunque idealmente se desearía que fuera de 1, se puede concluir que es imposible, ya que se necesitaría que la gráfica sea rectangular. Al igual que el factor anterior, se introduce otro término más importante:

n=PoutPin=Jsc*Voc*FFPin (6),

El cual se define como la eficiencia de conversión. Dado que las celdas solares reales no son idénticas, tienen caídas de voltaje y pérdidas de energía interna, para lo cual, si se desea un modelo más aproximado, si se agregan por ejemplo: en una celda solar estándar c-Si:

  • Resistencias en serie. Este tipo de resistencias se pueden dar por diversidad de tipos, como se observa en la figura 3 donde las más comunes son:
  1. Resistencia del material semiconductors (absorber layer).
  2. La interfaz de contacto entre los contactos metálicos y el material semiconductores.
  3. Los contactos metálicos en las terminales de la celda.

Figura 3. Muestra el modelo de la celda solar con sus resistencia en serie.

  • Resistencias en paralelo: este tipo de resistencia se presenta mucho menos, es una especie de resistencia parásita o nivel macroscópico como defecto de las celdas solares. Estas se presentan como caminos alternativos a la Iph(fotocorriente generada). Pueden ser daños en las capas de semiconductores o bien un circuito formado en los bordes de la celda.

Figura 4. Muestra el modelo de la celda solar con ambas resistencia no ideales.

Siempre se busca que Rs sea el menor y Rp lo más alto posible, lo cual es claramente visible en la figura 4, pero en la figura 5 y figura 6, se muestra un gráfico muy claro de lo que puede pasar si aumenta la resistencia en serie y disminuye la resistencia en paralelo, respectivamente.
Figura 5. Aumento de la resistencia en serie, Rs.Tomado de [2]

Figura 6.Disminuyendo la resistencia en paralelo, Rsh. Tomado de [2]


Reglas en la construcción de celdas solares

Hay varias reglas para el diseño de celdas solares, quizá lo más importante es la utilización del espectro, como se observa en la figura 9, y de acuerdo con la ecuación (7), la energía de los fotones debe ser lo suficiente para lograr enviar un electrón del material a la banda de coneccion, por lo tanto se buscan materiales con el menor band gap posible, por ejemplo, se puede observar en la figura 7, cómo varía la potencia con respecto a la longitud de onda.
¿Pero, cómo se puede determinar y medir que tanta energía del espectro se está utilizando?

E=hc⋋(7)

Donde E es la energía del fotón, c es la velocidad de la luz, h es la constante de planck y ⋋ en la longitud de onda.

Figura 7. Potencia de una celda solar en función de la longitud de onda. Tomado de [2]

Si consideramos una celda solar y cierta cantidad de fotones con determinada longitud de onda ⋋, se sabe que estos fotones pueden generar un movimiento interno de electrones, así, la eficiencia cuántica externa viene dada por:

EQE=J(⋋)q*⏀(⋋) (7)

donde EQE es el número de electrones enviados a las terminales de la celda solar, entre la cantidad de fotones entrantes a cierta longitud de onda ⋋.

Según lo anterior, es fácil deducir que, idealmente, se desea un EQE = 100%. Sin embargo, las eficiencias típicas son mucho menores y se puede deber a ciertas pérdidas ópticas y eléctricas en los conductores, como por ejemplo:
  • Los fotones pueden ser reflejados en la celda solar.
  • Los fotones con menor energía que el band gap del material no son absorbidos.
  • La capa absorbente es demasiado delgada y no absorbe todos los fotones.
  • Las cargas excitadas por las fotones no llegan a ser recogidas en las terminales de la celda solar.

Se puede recordar, que las longitudes de onda mayores, corresponden a fotones de menor energía (como el caso de la luz roja) y las longitudes de onda menores corresponden a fotones de mayor energía (como es el caso de la luz azul), tal y como se observa en la figura 7.1.

Figura 7.1. Relación de la eficiencia según el material empleado. Tomado de [6].

La figura 8 muestra la relación entre EQE y la densidad de corriente en cortocircuito en función de la longitud de onda.

Figura 8. Relación entre el EQE y la densidad de corriente de cortocircuito, en función de la longitud de onda. Tomado de [2]

Figura 9, muestra la relación entre la longitud de onda y la frecuencia. Tomado de [5].

Aspectos físicos de la eficiencia de las celdas solares

Para realizar un análisis de la eficiencia de las celdas solares, es importante aclarar que se lleva a cabo mediante densidades, pues cualquiera podría pensar que al ser la energía solar casi infinita, para efectos de cuantificación del rendimiento, entonces la eficiencia, la cual es la razón de lo que se produce entre lo que se recibe, tendería a cero.

Después de aclarar el punto anterior, existen ciertas características físicas de las celdas solares que reducen su eficiencia, entre las cuales se tienen:  

  • Reflexión en la superficie de la celda solar.
  • La luz que entra sin la suficiente energía para separar electrones de sus uniones.
  • La luz que entra con más energía de la necesaria, para separar electrones de sus uniones.
  • Recombinación aleatoria de los pares electrón-hueco.
  • Recombinación de los pares electrón-hueco, debida a defectos del material.
  • Resistencia eléctrica.
  • Operación fuera de los rangos de temperaturas normales.

Reflexión

Normalmente, un cierto porcentaje de los rayos provenientes del sol que inciden sobre una celda solar son reflejados de regreso a la atmósfera, debido a imperfecciones del material.  Aunque hace unos años, este defecto provocaba que casi un 36% de los rayos entrantes se reflejaran, actualmente existen muchos tipos de tratamientos a las celdas solares, para reducir esta particularidad drásticamente, llegando a cifras cercanas al 5%.

Poca energía o  exceso de energía.

Este defecto de las celdas solares es muy particular, se tiene que un rayo incidente, y que no rebota en la superficie de la celda solar, puede tomar varios caminos. Uno de los caminos es que pase directo y no tenga contacto con ninguno de los electrones en toda la celda, esto puede suceder cuando hay demasiada concentración de rayos y la celda simplemente no puede absorberlos a todos.

Otra manifestación que puede experimentar un rayo incidente es que, al tener demasiada poca energía, no le alcance para romper un enlace químico y lo único que produzca sea calentamiento de la celda, al hacer que las partículas subatómica vibren.

Otra de las manifestaciones es que al tener demasiada energía, además de romper el enlace químico correspondiente, la energía sobrante se encarga de producir vibración de las partículas subatómicas adyacentes, lo cual se traduce en calor.

Finalmente, la última manifestación que puede suceder es que el fotón proveniente tenga, precisamente, la energía necesaria para romper un enlace químico de electrones, y no más. Este último caso es muy ideal, pues sugiere que la energía del fotón sea la misma cantidad en electrón volt, necesaria para provocar que un electrón salte de su banda de valencia a su banda de conducción, provocando electricidad, y sin aumentar su temperatura. La explicación anterior se puede apreciar en la figura 10.
Figura 10. Posibles caminos que puede tomar un fotón en la celda solar. Tomado de [1]

Según [1] a suma de todos los efectos anteriores sobre el comportamiento de los rayos incidentes, desperdician cerca de un 55% de energía que proviene del sol, y son la principal razón por la cual una celda solar no puede producir (por el momento) electricidad, equivalente a la energía entrante. Como comparación, considere que tanto más eficiente podría ser una celda solar que se encuentre solamente ante luz monocromática, donde se tenga una misma longitud de onda, y por lo tanto utilizar celdas con un material que requiera exactamente la misma cantidad de energía para romper un enlace químico, de la que proviene del sol.

Recombinación de pares electrón-hueco.

La recombinación de pares electrón-hueco se puede dar de varias maneras, quizá la más importante es el hecho de que las cargas pueden chocar entre sí, tener múltiples colisiones lo cual reduce su energía y aumenta la probabilidad de que caigan de nuevo a un enlace químico. Esto esta relacionado con la resistencia intrínseca, en la medida que conforme mayor resistencia existe, se reduce la movilidad de las cargas y causa mayor recombinaciones, por lo tanto menor corriente y tensión. En la superficie de la celda solar pueden ocurrir muchas recombinaciones, por lo tanto esas son las regiones donde los electrones y los protones tienen mayor oportunidad de recombinarse.

Resistencia eléctrica.


La resistencia al flujo de corriente eléctrica ocurre en cualquier circuito eléctrico, sin embargo en una celda solar, la relación entre la corriente y la tensión no es lineal y por lo tanto no cumple con la ley de Ohm. Así, esta resistencia es equivalente a las pérdidas de energía dentro de la celda.
En las celdas solares, las resistencias al paso de corriente pueden aparecer en tres lugares.
  • El bulk en el fondo del material.
  • En la delgada superficie de la celda.
  • En los contactos entre la celda solar y los colectores metálicos.

Comportamiento ante temperaturas no ideales.


Existen una muy compleja relación entre la temperatura de la celda y la movilidad de sus partículas, las cuales se relacionan con la concentración de impurezas. Tal y como se observa en la figura 11, para dos diferentes valores de concentración de impurezas.
Figura 11. Muestra la relación entre la temperatura y la movilidad de las partículas.


Conclusiones y recomendaciones

A pesar de que la poca eficiencia en las celdas solares actuales no las convierte en medios de obtención de energía del rentables (respecto a otros medios de obtención de energía), el desarrollo e investigación en este campo han permitido avanzar de manera tal que los dispositivos fotovoltaicos cada vez mejoran en calidad, durabilidad y compatibilidad con el ambiente, lo cual convierte a las fotoceldas en una prometedora alternativa para la obtención de energía amigable con el ambiente y en sustitutos a energías más comunes al largo plazo.

Los nuevos materiales y métodos de fabricación las celdas solares han alcanzado eficiencias incluso superiores al 50%, además, la estos avances tecnológicos no son sólo prometedores para el ámbito energético a gran escala, sino también para aplicaciones en bioingeniería (como lo son los dispositivos semiconductores orgánicos).

Los paneles solares son importantes para la evolución de la sociedad. Son importantes para los países, ya que les permiten liberarse de la dependencia energética de otros países, y de aprovechar fuentes de energías renovables, sin la preocupación de que se vayan a acabar. Aun en días nublados se puede tener suficiente energía almacenada para seguir con nuestras labores diarias.

Referencias

[1]
U.S. Department of Energy, Basic photovoltaic principles and methods, Colorado, US: SERI, 1982.

[2]
D. A. Smets, «Photovoltaic Materials and Devices,» Delft University of Technology, Netherlands, 2013.
[3]
Javier Méndez Muñiz y R. C.Garciaa, «Energía solar fotovoltaica,»Fundaciónn Confemetal, Madrid, España, 2007.
[4]
«Textos Científicos,» [En línea]. Available: http://www.textoscientificos.com/energia/celulas. [Último acceso: 30 Octubre 2013].

[5]


[6]


[7]


[8]



[9]


[10]



[11]

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[13]
«Ciencia Química,» [En línea]. Disponible: http://www.100ciaquimica.net/index.htm. [Último acceso: 24 Noviembre 2013].

  Jason Ball. «High Temperature Conductivity Measurements in Doped YbCo4Sb12         S     Skutterudites» University of Michigan. [4 de Abril, 2010]


Y. Nakata. Dynamics of Innovation in Solar Cell Industry: Divergence of Solar Cell Technologies. Ritsumeikan Asia Pacific University.

I. Zanesco, A. Moehlecke, J. L. Pinto, and M. Ly. Development and Comparison of Small and Large Area Boron Doped Solar Cells in n-type and p-type Cz-Si. Faculty of Physics, Pontifical Catholic University of Rio Grande do Sul. Porto Alegre,  Brazil.

«Theory/How Solar cells work 2: Bandgaps», [En línea]. Disponible: http://solarjourneyusa.com/bandgaps.php. [Último acceso: 24 Noviembre 2013].

http://microscopy.zeiss.com/microscopy/es_mx/soluciones/sectores-industriales/energiasolar-semiconductores.html. Grupo empresarial internacional de la industria óptica y optoelectrónica

K.Naranjo. Proyecto eléctrico: Dispositivos Fotovoltaicos a partir de polímeros conductores. Universidad de Costa Rica. San José Costa Rica. 2010.

N. S Zin, A. Blakers, E. Franklin, V. Everett. Design, Characterization and Fabrication of Silicon Solar Cells for >50% Efficient 6-junction Tandem Solar Cells. Australian National University, Australia.

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Fuente: https://docs.google.com/document/d/1eRQX3PKbvv7R3jK6t23YNkisd87C6G-Dg1XcCwkjQ-g/edit?usp=sharing

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