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Energía Solar Fotovoltaica y Funcionamiento de una celda

solar

Estado Sólido Micro y Nanosistemas

Mikel Hurtado

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Figura 1. Dependencia de los combustibles

La actual demanda energética mundial debe tomar vías alternativas de aprovechamiento y almacenamiento de energía que estén de acuerdo con las necesidades de un uso ventajoso y limpio que beneficie a la sociedad.

1. Introducción

Figura 2. Energías alternativas a) eólica, b) solar, c) hidroeléctrica, d) celdas de combustible, e)

geotérmica y f) mareomotriz. 3

a ) b) c)

d) e) f)

Energías Alternativas

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Figura 3. Contribución de las energías renovables a la generación global de electricidad

REN24 Global status report - 2013

Figura 4. Países con mayor capacidad instalada de generación FV, 2013

Consumo energético Global

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Ventajas de la Energía Solar

Figura 5. Módulos solares fotovoltaicos

Figura 6. Aplicaciones diversas de las celdas solares

• La fuente ilimitada y disponible.

• Energía límpia

• No produce ruido

• Métodos físicos y/o químicos.

• Potencias de mW hasta MW.

• Bajo costo de mantenimiento.

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Figura 7. Máximas eficiencias de conversión desde 1995.

[1] ] NREL National Renewable Energy Laboratory, statistics efficiency 2013.

2. Estado Actual

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Silicio amorfo (a-Si) [2]

Teluro de cadmio (CdTe) [3]

Calcopirita de Cu(In,Ga)Se2 (CIGSSe) y CuInS2 (CIS) [4-6]

Máxima eficiencia de conversión 20.3% con celdas solares de juntura simple Cu(In,Ga)Se2 [7]. Mejores densidades de fotocorriente comparado con a-Si y TeCd

Figura 8. Celdas solares tipo a) Si amorfo, b) CdTe y c) CIS

a)

b)

c)

Laboratorio a la industria

[2] D.E. Carlson. Materials Research, Vol.13 (10) (1998) 2754-2762[3] X. Wu. Proc. 17th European PV Solar Energy Conf., Munich (2001) 995[4] M.A. Contreras. P P. Research and Application, 7 (1999) 311-316[5] M. Powala. Proc. 29th IEEE PV Specialist Conf., New Orleans (2001) 571

Watt/Pico

1 USD/W

0.6 USD/W

0.8 USD/W

[6] K. Ramanathan. Research and applications, 11 (2003) 225-230[7] Philip Jackson. Research and Applications, 19, (2011), pp. 894-897

TCO (ZnO)

Capa Buffer (CdS)

Capa absorbente Cu(In1-xGax)Se2 (CIGS)

Contacto inferior (Mo)

Sustrato de vidrio

Tipo n

Tipo p

hu

e-

+ + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _

Contacto eléctrico

e-

e-

h+

ΔE {

Componentes de interés

ZCE

Ventana óptica

Capa absorbente Cu2ZnSnS4 (CZTS)

Capa Buffer (ZnS)Capa Buffer (CdS)

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Figura 9. Sección transversal de una celda solar de tipo heterojuntura p/n, mostrando la estructura del concepto capa absorbente-ventana óptica. Estructura, funcionamiento y componentes de una celda solar

3. Funcionamiento

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• In y Ga estratégicos

• Zn y Sn abundantes

• S < tóxico Se

• Red CCC de aniones de S. ½ IT ocupados por cationes

¿Por qué reemplazar el CIS por CZTS?

Figura 10. Estructuras CIS y CZTS

11 [8] S.A. Vanalakar,.A review on pulsed laser deposited CZTS thin films for solar cell applications, Journal of Alloys and Compounds (2014), doi:10.1016/j.jallcom.2014.09.018

Figura 11. Evolución y record de celdas solares de película delgada basadas en CZTS y CZT(S,Se) [8].

Celdas CZTS