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 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 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
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) 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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