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Dr. María Quintana
Maria Quintana
Tipo de celdas de Silicio
Tecnología del silicio
Celdas
Primera generación
Segunda generación
Tercera generación
Maria Quintana
Monocristalinas: estructura atómica muy ordenada. rendimiento entre el 15% y el 18%. difícil construcción, alto precio.
Policristalinas: 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.
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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”.
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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
Maria Quintana
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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)
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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Fragilidad
Condiciones atmosféricas
Deben ser empaquetadas en un módulo
o Los módulos se utilizan para cargar baterías
o Son fabricados para entregar un voltaje nominal de 12Vdc.
o Este voltaje se alcanza conectado 36 celdas en serie.
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1) La celda es colocada en un encapsulante
2) Parte superior: vidrio templado
3) Parte inferior: substrato a base de resina
4) El modulo se trata a temperaturas de 175ºC y presión uniforme.
5) Se sella y se ajusta a un marco de aluminio ionizado.
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http://www.youtube.com/watch?v=fZ1SC-
vUe_I
http://www.youtube.com/watch?v=h6TWj
SfPvEI&feature=related
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
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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”
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Prismático simple SPC (Simple Prism
Concentrador)
Ganancia = 1,75.
Célula solar bifacial vertical
Ganancia = 3,5
Poca utilidad práctica
Célula solar bifacial horizontal
Ganancia = 3,8
Concentrador Estático de Material
Transparente Reflexivo
Ganancia = 15%
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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.
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Las celdas solares responden de manera diferente a las diferentes longitudes de onda
de la radiación recibida. El silicio cristalino utiliza la parte visible del espectro más una
parte del infrarrojo
La parte baja del espectro no tiene suficiente energía para “producir”
corriente en el semiconductor
La parte del superior del espectro, el ultravioleta, tiene exceso de
energía para “producir” corriente
En ambos casos la radiación no utilizada para producir electricidad, se
convierte en calor.
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Son materiales para la producción de células solares, que obtienen un rendimiento relativamente alto, con un ahorro muy importante de material respecto a las de silicio.
Usan aproximadamente un 1% de material semiconductor en
comparación con las obleas de silicio. Es posible depositar las sustancias semiconductoras sobre muchos
tipos de sustratos: cerámicos, vidrio, materiales flexibles. Hay un gran número de grupos de investigación, en todo el mundo,
trabajando en estas tecnologías Se han desarrollado paneles para la industria espacial (GaAs) con
rendimientos próximos al 30%
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Objetivos actuales:
Mejora de los aspectos relacionados con la fabricación: costes de
producción, procesos industriales de fabricación, inversión en
investigación.
Mejora del rendimiento de los paneles comerciales. Objetivo del 10%
para los próximos años, hasta llegar al 15% a medio plazo
Asegurar la fiabilidad de los módulos: estabilidad de los materiales al
paso del tiempo y del “package
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Principales tecnologías actualmente en desarrollo:
Silicio amorfo (a-Si)
Diselenio de Cobre e Indio (CIS)
Teluro de Cadmio (CdTe)
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Primer material de la tecnología de película delgada que tiene
productos comerciales.
Inicialmente se utilizo en aparatos de consumo, como las
calculadoras.
Se está utilizando en aplicaciones arquitectónicas especiales:
módulos semitransparentes para ventanas, por ejemplo.
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Mejorar la estabilidad y el rendimiento de los módulos actuales. Hay un fenómeno de perdida de rendimiento la primera vez que se exponen a la luz, llamad efecto Staebler-Wronski.
Reducir los costes de fabricación de los paneles comerciales, mejorando los procesos productivos, incluyendo los de depósitos de material.
Mejorar el diseño de los módulos haciéndolos más resistentes a las condiciones atmosféricas
Desarrollo de nuevos diseños para su integración arquitectónica.
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Después de dos décadas de investigación y desarrollo se están empezando a introducir en el mercado los primeros módulos, con rendimientos alrededor del 11% (Siemens Solar Industries)
Se ha alcanzado un rendimiento del 19% en los laboratorios NREL
Se está investigando en diseños que sean capaces de utilizar la zona del espectro solar de mayor energía.
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Es un compuesto atractivo debido a sus altos coeficientes de absorción y sus capacidades eléctricas y ópticas.
Su producción es más costosa que la del silicio amorfo.
Hay diferentes familias de dispositivos donde se sustituye una parte del Indio por otros elementos de las bandas I, III y IV, principalmente el Galio (CIGS) (aumento del bandgap) (el 70% de Indio se utiliza en la construcción de monitores y TV planos).
Se pueden llegar a obtener rendimientos próximos al 30% utilizando lentes de concentración
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Búsqueda de mayores rendimientos investigando las propiedades
físico químicas de las uniones semiconductoras y el uso de la parte
del espectro de mayor energía.
Disminuciones de los costes de fabricación, en especial mejorando los
rendimientos de producción (yield process).
Reducción de la complejidad de fabricación
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Es un excelente semiconductor para el uso en células solares. Su bandgap es de 1.4eV, lo que es se adapta muy bien al espectro solar.
Su estructura incluye un película muy delgada de sulfuro de cadmio, que permite pasar una gran cantidad de luz solar a través de ella.
Su depósito sobre un sustrato es sencilla y permite su producción a gran escala.
Hay cierta controversia sobre la toxicidad del cadmio
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http://www.youtube.com/watch?v=ogSb2wUi2d4&feature=player_emb
edded#!
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La “primera generación”, basada en uniones p-n de silicio está limitada por el uso del silicio (70% en la industria microelectrónica) y en rendimientos <20% (sin concentración).
La “segunda generación” en un futuro próximo tendrá costes inferiores a los del silicio (costes de materiales), sin la limitación del tamaño de las obleas de silicio. Rendimientos igual o ligeramente superiores a los de “1ª generación”.
La “tercera generación” deberá proveer mayores rendimientos a costes más bajos: 50% superior al actual y costes de 0.4$/W instalado.
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Los dos mecanismos más importantes de pérdida de potencia en
celdas de una sola banda son:
1. Incapacidad de absorber fotones con energía menor que la de la
banda (bandgap)
2. La termalización (exceso de calor) de la energía del fotón que
excede la banda de energía (bandgap)
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Para resolver estos problemas hay tres familias de soluciones:
1. Incrementar el número de bandas (bandgap): “sanwich” de celdas, bandas
intermedias, spectral spliting
2. Capturar portadores (pares electrón-hueco) antes de la termalización (hot carriers)
3. Múltiples portadores (electrón-hueco) obtenidos por fotones de alta energía o
portadores únicos con múltiples fotones de baja energía
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White paint
TiO2
Dye :
Ru complex
Anode:
Graphite,Pt
Electrolyte
Iodine sol.
Contacts
Load, display
Aun con baja eficiencia
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TiO2 ~ P25 ( 25 nm) ZnO rods
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Grafito o metales nobles
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-Solvente usado: nitrilos orgánicos, por
ejemplo acetonitrilo
-Cupla redox ( I-/I-3) disuelta
-Aditivos
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Dra. María Quintana
Profesora de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería. Especialista en síntesis de nanomateriales para aplicaciones fotovoltaicas Laboratorio de Películas Delgadas.
Oficina: R2 111C
Correos electrónicos: