Célula Solar - Energía Solar Fotovoltaica · Teoría de Semiconductores Conducción eléctrica Semiconductores Dopaje de semiconductores Unión p-n Diodo Unión P-N iluminada Funcionamiento

Célula Solar

Oscar PerpiñánLamigueirohttp://

oscarperpinan.github.io

Teoría deSemiconductores

Unión P-Niluminada

Funcionamientode una célula solar

Fabricación

Célula SolarEnergía Solar Fotovoltaica

Oscar Perpiñán Lamigueirohttp://oscarperpinan.github.io

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Teoría de Semiconductores

Unión P-N iluminada

Funcionamiento de una célula solar

Fabricación

Teoría de SemiconductoresConducción eléctricaSemiconductoresDopaje de semiconductoresUnión p-nDiodo



Fabricación

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Teoría deSemiconductoresConducción eléctrica

Semiconductores

Dopaje de semiconductores

Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Bandas de energíaI En un sólido el número de átomos es tan elevado

que los niveles de energía forman bandas continuasde energía.

I Los electrones asociados a los átomos del sólidollenan estas bandas en orden ascendente.

I La banda de mayor energía completamente ocupadase denomina banda de valencia (electrones ligados aátomos).

I La siguiente banda, parcialmente ocupada o vacía, sedenominada banda de conducción (electronesdesligados de átomos).

I Estas bandas pueden estar separadas por otra bandade energías que corresponde a estados nopermitidos (banda prohibida), o pueden estarsolapadas permitiendo una transición fácil de una aotra.

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Unión p-n

Diodo

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Diodo

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Diodo

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Diodo

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Bandas de energía

†http://commons.wikimedia.org/5 / 66




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Diodo

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Fabricación

Conductores, aislantes y semiconductores

Las propiedades eléctricas del sólido dependen de estaposición relativa entre bandas.I En un conductor la Eg es muy baja y los electrones

circulan fácilmente por la banda de conducción.

I En un aislante se necesita una cantidad de energíamuy alta para que los electrones puedan acceder a labanda de conducción (Eg > 5 eV)

I En un semiconductor la Eg es baja (Eg < 5 eV): loselectrones pueden «saltar» a la banda de conduccióncon un aporte energético.

I Eg(Si) = 1,12 eVI Eg(AsGa) = 1,4 eV

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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación



circulan fácilmente por la banda de conducción.I En un aislante se necesita una cantidad de energía

muy alta para que los electrones puedan acceder a labanda de conducción (Eg > 5 eV)



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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación







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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación





I En un semiconductor la Eg es baja (Eg < 5 eV): loselectrones pueden «saltar» a la banda de conduccióncon un aporte energético.I Eg(Si) = 1,12 eV

I Eg(AsGa) = 1,4 eV

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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación





I En un semiconductor la Eg es baja (Eg < 5 eV): loselectrones pueden «saltar» a la banda de conduccióncon un aporte energético.I Eg(Si) = 1,12 eVI Eg(AsGa) = 1,4 eV

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Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación


La conductividad de los materiales depende de laconcentración de electrones libres (n) presentes enla banda de conducción

Valores típicos de n

I Metal: 1022 cm−3

I Aislante: 10 cm−3

I Semiconductor: 1010 cm−3 a T = 300 K

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Fabricación

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Diodo

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Fabricación

Red cristalina de Si (T = 0 K)

†Figura de Sedra and Smith, Microelectronic Circuits9 / 66




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Diodo

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Fabricación

Generación de electrón-hueco (T > 0 K)





Generación de electrón-hueco

I Cuando se rompe un enlace, unelectrón y un hueco quedan librespara moverse por el material(conducción intrínseca).

I Esta circulación es aleatoria, sinuna dirección predeterminada: noes aprovechable en un circuitoexterno.

I La densidad intrínseca de huecosy electrones es idéntica (dependede la temperatura y de Eg).









Recombinación de un par electrón-hueco

I Se producen encuentroselectrón-hueco que restablecen unenlace con liberación de energía(Eg) en forma de calor.

I Para evitar la recombinación espreciso dirigir el movimiento deelectrones y huecos mediante uncampo eléctrico.

Recombinación de un par electrón-hueco

I Se producen encuentroselectrón-hueco que restablecen unenlace con liberación de energía(Eg) en forma de calor.

I Para evitar la recombinación espreciso dirigir el movimiento deelectrones y huecos mediante uncampo eléctrico.




Fabricación

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Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Definición

El dopaje de semiconductores consiste en introducir deforma controlada impurezas en el cristal para alterar lasbandas de energía.

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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Tipo n





Tipo n

I Los átomos de Fósforo tienen cincoelectrones de valencia (uno másque el silicio).

I Al impurificar un cristal de Siliciocon átomos de Fósforo, el quintoelectrón no queda bien integradoen la red.

I La rotura de este enlace se producecon baja aportación energética(menor que Eg).

I El quinto electrón queda librepero la carga positiva (ión P+) estáligada a la red cristalina.

I La densidad de electrones(portador mayoritario) es superiora la de huecos

Tipo n






Tipo n






Tipo n






Tipo n






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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Tipo p





Tipo p

I Los átomos de Boro tienen treselectrones de valencia (uno menosque el silicio).

I Al impurificar un cristal de Siliciocon átomos de Boro, hay un enlacesin cubrir (hueco).


I El hueco queda libre pero la carganegativa (ión B−) está ligada a lared cristalina.

I La densidad de huecos (portadormayoritario) es superior a la deelectrones

Tipo p






Tipo p






Tipo p






Tipo p









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Semiconductores


Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Unión p-n





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Semiconductores


Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Conducción en una unión p-nI Al unir un semiconductor tipo p con otro tipo n, se

produce un desequilibrio:I Corriente de DifusiónI Corriente de Arrastre





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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Corriente de Difusión

I Difusión de portadores mayoritariosI Movimiento de huecos desde cristal p a cristal n,

dejando iones con carga negativa.

I Movimiento de electrones desde cristal n a cristal p,dejando iones con carga positiva.

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Semiconductores


Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Corriente de Difusión

I Difusión de portadores mayoritariosI Movimiento de huecos desde cristal p a cristal n,

dejando iones con carga negativa.I Movimiento de electrones desde cristal n a cristal p,

dejando iones con carga positiva.

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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Corriente de ArrastreI Los iones fijos cercanos a la unión generan un

campo eléctrico de arrastre en sentido opuesto a ladifusión: barrera de potencial

I Los portadores minoritarios que atraviesan launión se recombinan en la zona cercana a la unióndespoblada de portadores y con iones cargadosligados a la red.

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Semiconductores


Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Corriente de ArrastreI Los iones fijos cercanos a la unión generan un

campo eléctrico de arrastre en sentido opuesto a ladifusión: barrera de potencial

I Los portadores minoritarios que atraviesan launión se recombinan en la zona cercana a la unióndespoblada de portadores y con iones cargadosligados a la red.

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Diodo

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Equilibrio en una unión p-n

I El equilibrio se alcanza al compensarse losmovimientos de difusión y de arrastre.





Polarización en directa

I Para conseguir corriente esnecesario romper el equilibrioalcanzado y reducir la barrera depotencial.

I Diferencia de potencial con lado ppositivo respecto al lado n: uniónp-n está polarizada en directa.

I En estas condiciones se reduce labarrera de potencial y, enconsecuencia el valor del campoeléctrico de la zona de unión.

I La corriente de arrastre disminuyey no puede compensar la corrientede difusión.

I Convenio: la corriente entra porzona p y sale por zona n.

























Polarización en inversa

I Si la diferencia de potencialaplicada consigue que la zona pesté a menor tensión que la zonan, la unión queda polarizada eninversa.

I En estas condiciones la barrera depotencial en la unión quedareforzada y el paso de portadoresde una a otra zona queda aún másdebilitado.

I La corriente que atraviesa la uniónen polarización inversa es de muybajo valor.












Fabricación

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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Definición

I El dispositivo electrónico basado en una unión p-n sedenomina diodo.

I La zona p del diodo es el ánodo y la zona n es elcátodo.

+ −Anodo Catodo ID

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Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

Ecuación del Diodo

I

ID = I0 · [exp(V

m ·VT)− 1]

donde I0 es la corriente de saturación en oscuridaddel diodo, V la tensión aplicada al diodo y m el factorde idealidad del diodo.

I Para una temperatura ambiente de 300 K,

VT =kTe

= 25,85 mV

donde k es la constante de Boltzmann, T la temperaturadel diodo (en grados Kelvin), y e es la carga del electrón.

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Unión p-n

Diodo

Unión P-Niluminada


Fabricación

0.0 0.2 0.4 0.6

Tensión (V)

Cor

rien

te

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Fabricación

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Fabricación

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Fabricación

Efecto fotoeléctrico

I Efecto fotoeléctrico: los electrones se desplazan a labanda de conducción por el aporte energético defotones (Ef =

h·cλ ).

I Al iluminar una unión p-n, el campo eléctrico de launión conduce los portadores y dificulta larecombinación.

I La fotocorriente es ahora aprovechable por uncircuito externo (corriente de iluminación, corriente degeneración)

I La presencia de tensión en los terminales de launión (por ejemplo, caída de tensión en unaresistencia alimentada por la fotocorriente) favorecela recombinación (corriente de oscuridad o corriente dediodo).

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Fabricación



h·cλ ).




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Fabricación



h·cλ ).




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Fabricación



h·cλ ).




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Fabricación

Absorción de luz y generación de portadores

I Si el fotón es poco energético (Ef < Eg) no interactúacon el semiconductor (como si fuese transparente)

I Fotones en el espectro visible (400 nm < λ < 700 nm)y ultravioleta (λ < 400 nm) rompen enlaces.

I Si λ > 1100 nm (infrarrojo) el fotón no interactúa.

I Los fotones más energéticos (baja longitud de onda)son absorbidos en la superficie.

I Los fotones menos energéticos (alta longitud deonda) penetran en el interior hasta romper unenlace.

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Fabricación


I Si el fotón es poco energético (Ef < Eg) no interactúacon el semiconductor (como si fuese transparente)I Fotones en el espectro visible (400 nm < λ < 700 nm)

y ultravioleta (λ < 400 nm) rompen enlaces.

I Si λ > 1100 nm (infrarrojo) el fotón no interactúa.



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Fabricación



y ultravioleta (λ < 400 nm) rompen enlaces.I Si λ > 1100 nm (infrarrojo) el fotón no interactúa.



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Unión P-Niluminada


Fabricación






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Unión P-Niluminada


Fabricación






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Fabricación


I Los fotones con Ef < Eg atraviesan el cristal sin serabsorbidos: pérdidas de no-absorción

I Fotones con Ef > Eg:

I Debido a anchura del semiconductor y coeficiente deabsorción del material parte no son absorbidos:pérdidas de transmisión

I Debido a diferencia de índices de refracción:pérdidas de reflexión

I Parte de los portadores generadores se recombinandentro del dispositivo: pérdidas por recombinación

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Unión P-Niluminada


Fabricación



I Fotones con Ef > Eg:

I Debido a anchura del semiconductor y coeficiente deabsorción del material parte no son absorbidos:pérdidas de transmisión



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Unión P-Niluminada


Fabricación



I Fotones con Ef > Eg:I Debido a anchura del semiconductor y coeficiente de

absorción del material parte no son absorbidos:pérdidas de transmisión



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Unión P-Niluminada


Fabricación







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Unión P-Niluminada


Fabricación







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Fabricación

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Funcionamientode una célula solarCurva IV y PuntosCaracterísticos

Influencia de Temperatura yRadiación

Cálculo del MPP

Circuito equivalente de lacélula

Fabricación

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Funcionamiento de una célula solarCurva IV y Puntos CaracterísticosInfluencia de Temperatura y RadiaciónCálculo del MPPCircuito equivalente de la célula

Fabricación

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Unión P-Niluminada



Cálculo del MPP


Fabricación

Característica I-V de iluminación

I = IL − ID

ID = I0 ·[

exp(

e ·Vm · k · Tc

)− 1

]

Tensión de célula (V)

0

1

2

3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Isc

Impp

VocVmpp

MPPPotencia (W)Corriente (A)

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Cálculo del MPP


Fabricación

Isc y VocCorriente de Cortocircuito

Isc = I(V = 0)⇒ ID = 0⇒ I = IL

Tensión de Circuito Abierto

Voc = V(I = 0)⇒ IL = ID ⇒ Voc = m · k · Tc

e· ln

(IL

I0+ 1

)

Ecuación general

I = Isc ·[

1− exp(

e · (Voc −V)

m · k · Tc

)]40 / 66




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Cálculo del MPP


Fabricación

Punto de máxima potencia0 < V < Vmpp

dPdV

> 0⇒ dIdV

> − IV


0

1

2

3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Isc

Impp

VocVmpp


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Cálculo del MPP


Fabricación

Punto de máxima potenciaV=Vmpp

dPdV

= 0⇒ dIdV

= − IV


0

1

2

3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Isc

Impp

VocVmpp


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Cálculo del MPP


Fabricación

Punto de máxima potenciaVmpp < V < Voc

dPdV

< 0⇒ dIdV

< − IV


0

1

2

3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Isc

Impp

VocVmpp


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Cálculo del MPP


Fabricación

Factor de forma y Eficiencia

I Factor de Forma

FF =Impp ·Vmpp

Isc ·Voc

Pmpp = FF · Isc ·Voc

I Eficiencia

η =Impp ·Vmpp

PL

η =Impp ·Vmpp

A ·G

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Eficiencia de células

http://www.nrel.gov/ncpv/

http://www.nrel.gov/ncpv/




Fabricación

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Cálculo del MPP


Fabricación

Radiación

I Corriente de cortocircuito proporcional aintensidad de radiación Isc = I∗sc ·

GefG∗

I Relación logarítmica con tensión de circuito abierto:Voc2 = Voc1 +

mkTe · ln(G2/G1)

I El factor de forma aumenta ligeramenteI La eficiencia crece de forma logarítmica hasta

determinado nivel.

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Cálculo del MPP


Fabricación

Influencia de la Radiación

Tensión (V)

Cor

rien

te (A

)

0

1

2

3

4

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

G(W m2)2004006008001000

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Cálculo del MPP


Fabricación

Temperatura

I Se estrecha el salto entre banda de valencia yconducción: aumenta ligeramente la fotocorriente

I Disminuye linealmente la tensión de circuitoabierto: dVoc/dTc = −2,3 mV C−1

I Disminuye el factor de forma y la eficiencia:dη/dTc = −0,4 % C−1

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Cálculo del MPP


Fabricación

Influencia de la Temperatura

Tensión (V)

Cor

rien

te (A

)

0

1

2

3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Ta(°C)02040

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Cálculo del MPP


Fabricación

Condiciones Estándar de Medida

I Irradiancia: G∗ = 1000 W m−2 con incidencia normal.I Temperatura de célula: T∗c = 25 C.I Masa de aire: AM = 1.5

P∗mpp = I∗mpp ·V∗mpp

η∗ =I∗mpp ·V∗mpp

A ·G∗

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Cálculo del MPP


Fabricación

Método Simplificado: Factor de FormaConstante

FF = FF∗

Impp

Isc=

I∗mpp

I∗sc

Vmpp

Voc=

V∗mpp

V∗oc

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Cálculo del MPP


Fabricación

ProcedimientoI Calcular Voc a la temperatura Tc:

Voc = V∗oc +dVoc

dTc· (Tc − T∗c )

I Calcular Vmpp a la temperatura Tc:

Vmpp = Voc ·V∗mpp

V∗oc

I Calcular Isc a la radiación Gef .

Isc = I∗sc ·Gef

G∗

I Calcular Impp a la radiación Gef

Impp = Isc ·I∗mpp

I∗sc54 / 66




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Cálculo del MPP


Fabricación

Ejercicio de Cálculo

De una célula de 100 cm2 y I∗sc = 3 A, I∗mpp = 2.7 A ,V∗oc = 0.6 V, V∗mpp = 0.48 V, calcular suponiendo factor deforma constante:

I P∗mpp, FF∗, η∗

I Impp, Vmpp cuando Tc = 60°C y G = 800 W/m2.

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Fabricación

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Cálculo del MPP


Fabricación

Circuito equivalente

IL D

IDRp

RsI

+

V

−

I Ecuación general

I = IL − I0 · [exp(V + I · Rs

m ·VT)− 1]− V + I · Rs

Rp

I Ecuación simplificada

I = Isc[1− exp(V−Voc + I · Rs

m ·Vt)]

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Cálculo del MPP


Fabricación

Resistencia Serie: Curva IVI Resistencia de contactos metálicos con el

semiconductorI Resistencia de capas semiconductorasI Resistencia de malla de metalización

Tensión (V)

Cor

rien

te (A

)

−1

0

1

2

3

4

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Rs(Ω)1e−040.0010.01

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Cálculo del MPP


Fabricación

Resistencia Serie: Curva PVI Resistencia de contactos metálicos con el

semiconductorI Resistencia de capas semiconductorasI Resistencia de malla de metalización

Tensión (V)

Pote

ncia

(W)

−0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Rs(Ω)1e−040.0010.01

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Cálculo del MPP


Fabricación

Resistencia paralelo: Curva IVI Fugas de corriente en bordes de célulaI Cortocircuitos metálicosI Caminos de difusión en fronteras de grano

Tensión (V)

Cor

rien

te (A

)

−1

0

1

2

3

4

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Rp(Ω)110100

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Cálculo del MPP


Fabricación

Resistencia paralelo: Curva PVI Fugas de corriente en bordes de célulaI Cortocircuitos metálicosI Caminos de difusión en fronteras de grano

Tensión (V)

Pote

ncia

(W)

−1.0

−0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Rp(Ω)110100

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Fabricación

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Fabricación

https://www.youtube.com/watch?v=BZKEkwOJ9Nw

https://www.youtube.com/watch?v=fZ1SC-vUe_I

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https://www.youtube.com/watch?v=BZKEkwOJ9Nw

https://www.youtube.com/watch?v=fZ1SC-vUe_I

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Fabricación

Purificación de silicio

I El silicio puede extraerse de la cuarzita obteniendoSilicio de grado metalúrgico (98% pureza).

I Para la industria de la electrónica se necesita siliciode grado electronico (nivel de impureza por debajode 10−9, 9 nueves).

I Para las células solares puede utilizarse silicio degrado solar (nivel de impureza algo mayor, 10−5, 5nueves).

I Al mezclar silicio con acido clorhídrico se producetriclorosilano, que es destilado para eliminarimpurezas.

I Al unir silano de cloro con hidrógeno se obtiene devuelta silicio, válido para células policristalinas(varios cristales en cada célula)

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Fabricación

Formación de obleas

I Para obtener mayor pureza se emplea el siliciomonocristalino (un sólo cristal) obtenido mediante elproceso de Czochralski o similar (se utiliza unasemilla de cristal para crecer silicio a muy altatemperatura).

I El lingote resultante debe ser cortado en obleas de200− 500 µm.

I Las obleas son sometidas a limpieza para eliminarimpurezas por el cortado.

I A continuación, son dopadas con Fósforo y Boropara crear la unión p-n.

I Se limpian los bordes para evitar la formación decortocircuitos entre las zonas p y n.

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Fabricación

Formación de células

I Se añaden los contactos posterior (altorecubrimiento) y anterior (optimización para obtenerbaja Rs y poco sombreado) empleando aleaciones deplata y aluminio.

I Para reducir las pérdidas por reflexión se añade unacapa antireflectante con (p.ej) óxido de Titanio (colorazulado).

I Si es posible, se textura la superficie (creación demini pirámides).

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