Estudio y caracterización de células solares fotovoltaicas

Estudio y caracterización de células solares
fotovoltaicas
Esta práctica consta de tres partes: en la primera analizaremos varias
células fotovoltaicas (monocristalina y policristalina), obteniendo su curva I-V
tanto en oscuridad como en iluminación. En la segunda trabajaremos con un
panel fotovoltaico comercial, del que obtendremos sus parámetros de trabajo.
En la tercera analizaremos la eficiencia cuántica de una célula.
Objetivos

Estudio y caracterización de células fotovoltaicas mediante un modelo
eléctrico teórico que contrastaremos con los resultados obtenidos
experimentalmente.

Comparación entre los diferentes tipos de células y las diferentes
temperaturas a las que se trabaja.

Análisis de un panel fotovoltaico comercial.

Medida de la eficiencia cuántica de una célula de silicio monocristalina.
Equipo y material a utilizar

Células solares de Si de varios tipos: Célula monocristalina., célula
policristalina.

Fuente de alimentación regulable

Resistencias variables de distintos valores (10Ω, 50Ω, 100Ω, 500Ω).

Amperímetro.

Voltímetro.

Fuente de luz halógena de 150W.

Panel solar comercial.

Cables de conexión.

Monocromador.

Lámpara de tungsteno.
Conocimientos previos necesarios
El actual consumo energético mundial y el deterioro medioambiental
hacen necesaria la búsqueda de energías alternativas inagotables y limpias. La
energía solar fotovoltaica es una fuente de energía limpia e inagotable.
Los resultados del estudio de las características de paneles solares nos
permitirán plantear una mejora encaminada a la obtención de un mayor
rendimiento energético.
Para abordar el estudio de la práctica se deberán tener los siguientes
conocimientos:
Conceptos:
Semiconductor
Bandas de energía (conducción y valencia)
Gap de energía
Dopaje
Silicio tipo P, silicio tipo N
Efecto fotoeléctrico
Comportamiento eléctrico de una unión P-N. Movilidad de electrones y huecos
Región de carga espacial
Procesos de recombinación
Una célula solar es un sistema semiconductor que absorbe luz (energía
solar) y la convierte de forma directa en energía eléctrica. Esta generación de
energía, de manera general, parte del efecto fotoeléctrico sobre el gap de
energía de un semiconductor.
En todo sólido cristalino existen dos bandas de energías llamadas
banda de conducción y banda de valencia, debido a los electrones compartidos
de los átomos de la red. Estas pueden estar solapadas en el caso de los
conductores, muy separadas en el caso de los aislantes o con una pequeña
separación como es el caso de los semiconductores. La separación entre
ambas es conocida como gap de energía.
En las células solares más habituales se aprovecha este pequeño gap de
energía de los semiconductores para excitar electrones mediante efecto
fotoeléctrico desde la banda de valencia a la de conducción. Este efecto es
necesario hacerlo en un lugar donde pueda producirse además la separación
de las cargas fotogeneradas. El lugar habitual será la unión p-n de un cristal.
Cuando un cristal de tipo p (con exceso de carga positiva o huecos) y
otro de tipo n (exceso de carga negativa) se unen, se genera una región
llamada de carga espacial en la cual aparece un campo eléctrico producido por
la reordenación de las cargas.
En definitiva, cuando un fotón incide sobre la región de carga espacial de
la unión p-n de un cristal se produce por efecto eléctrico un par electrón-hueco
que son separados por el campo eléctrico existente en dicha región a ambos
lados de la unión. Si unos conductores eléctricos a través de una resistencia
conectan ambos lados de la unión, se producirá una corriente eléctrica debido
a la tendencia de la recombinación del par e-h. En la resistencia usada
obtenemos la energía generada en este proceso.
Un modelo eléctrico teórico que represente este dispositivo, sería el mostrado
por la figura adjunta. En él, la unión P-N se representa por un diodo, cuyo
comportamiento eléctrico es conocido, y por una fuente de corriente dispuesta
en paralelo que representa la corriente fotogenerada.
Aplicando las leyes de kirchoff al circuito obtenemos la expresión que
nos describe su funcionamiento:
I  IL  ID
I  I L  I O (e
qV
AkT
 1)
Este modelo básico, resulta insuficientemente para representar la
célula. En ella existen unas corrientes de fuga de comportamiento lineal, que
atraviesan la unión. Además, existe una caída de potencial proporcional a la
intensidad que circula debida a la resistencia de los contactos y cables de
conexión. Es por ello que debe mejorarse el modelo anterior añadiéndole una
resistencia en paralelo que denominaremos Rserie para representar esas
corrientes de fuga. En serie con todo el circuito también dispondremos de una
resistencia que denominaremos Rshe que representara la resistencia de los
contactos. Con todo esto el modelo queda como puede verse en la figura.
En este caso, la aplicación de las leyes de Kirchoff nos lleva a las expresiones
siguientes:
I  I L  I D  I Sh
I  I L  I O (e
q (V  IRS )
AkT
 1) 
V  IRS
RSh
Descripción de la práctica
La práctica se compone esencialmente de tres partes. El estudio y
caracterización de células solares, el estudio de una instalación de
aprovechamiento fotovoltaico y la medida de la eficiencia cuántica.
Para la caracterización, se tomaran medidas de intensidad frente a voltaje
para cada célula en dos situaciones distintas, en oscuridad y bajo iluminación...
Estas medidas se repetirán a diversas temperaturas (por ejemplo 25ºC, 40ºC,
55ºC) con el fin de ver la variación de lo parámetros característicos con la
misma.
Estas series de datos de I-V (unas 6 por célula) serán sometidos a análisis
matemático mediante algún programa informático (por ejemplo origin) de
manera que se ajusten las curvas teóricas a las experimentales. De dicho
ajuste obtendremos el valor correspondiente de cada parámetro “de
caracterización”
Estudio y caracterización de células
Toma de medidas en oscuridad
El trabajo en oscuridad tiene como objeto calcular los parámetros, Io, A,
RS, RSH, que definen las características de una célula, según el modelo
teórico.
Para tomar las medidas montamos el siguiente circuito:
La resistencia variable es utilizada en este primer caso como divisor de
tensión.
Los valores de voltaje recomendados para cada célula están
comprendidos aproximadamente entre -0,5V y 0,6V por célula.
De la representación gráfica de I frente a V, se obtiene una curva que
debe corresponderse con el comportamiento eléctrico del modelo teórico
descrito por la ecuación anteriormente vista. De la aproximación de estos
puntos obtendremos los parámetros de la célula.
Para simplificar la obtención de los parámetros, en la región de la gráfica
obtenida para voltajes bajos (aprox. de -0,5V hasta -0,3V) puede considerarse
despreciable la parte exponencial que describe el comportamiento del diodo.
Igualmente puede considerarse despreciable el término IRS/RSH, quedando
finalmente la siguiente ecuación:
I  IO 
1
V
RSH
Esta ecuación tiene la forma de una recta, y de la aproximación por
mínimos cuadrados de los puntos tomados, pueden obtenerse los valores de Io
(corte con el eje Y) y RSH (inversa de la pendiente de la recta).
Una vez calculados estos valores y tomando ya todos los puntos de la
gráfica, resultará mas sencillo hallar A y RS utilizando para ello un ajuste no
lineal de la ecuación completa.
Toma de medidas bajo iluminación
El trabajo en iluminación permitirá valorar el funcionamiento de la célula
bajo estas condiciones, una vez ya conocidos los parámetros característicos
calculados en oscuridad, y teniendo IL como única variable. Para ello, se
realiza el montaje de la figura y se ilumina la célula con la lámpara halógena
suministrada a la vez que se toman medidas de intensidad frente a voltaje
variando la resistencia variable. Para evitar el calentamiento de la célula debido
a la lámpara, esta se conectara brevemente durante la recogida de cada pareja
de datos, dejando que repose entre medida y medida
En esta ocasión, la resistencia variable es utilizada como resistencia de
carga. Debe elegirse de forma adecuada dicha resistencia con cada célula para
que nos abarque de manara mas o menos uniforme el rango de medida.
La curva obtenida en iluminación deberá coincidir con la obtenida en
oscuridad, pero desplazada verticalmente hacia abajo una cierta cantidad que
será IL.
Del ajuste de esta nueva curva, se podrán obtener los parámetros de
trabajo propios de cada célula:
-
ISC: corriente de cortocircuito.
-
VOC: voltaje a circuito abierto.
-
IMÁX: intensidad a máxima potencia.
-
VMÁX: voltaje a máxima potencia.
-
PMÁX: potencia máxima extraíble.
-
FF: factor de forma.
También se podrá estudiar la diferencia de los rendimientos luminosos
entre las células, al haber sido iluminadas todas con la misma fuente,
comparando la potencia producida por unidad de superficie en cada una de
ellas.
Panel fotovoltaico comercial
En este apartado se realizará un estudio práctico de obtención de
energía. Para ello utilizaremos el panel bajo iluminación solar.
Con un resistómetro y dos multímetros obtendremos la curva I-V del
panel, y con esto sus parámetros de trabajo
Análisis de la respuesta espectral
Uno de los objetivos más relevantes en el campo de la energía
fotovoltaica es encontrar los materiales con los cuales se pueda obtener el
mayor rendimiento de la energía proveniente del sol. Para ello vamos a
estudiar la respuesta que obtengo para las diferentes longitudes de onda que
llegan de una fuente lumínica.
Vamos a utilizar una lámpara de tungsteno y un monocromador.
Disponemos de una célula de silicio cuya respuesta viene dada por el
fabricante.
Colocamos la célula fotovoltaica a la salida del monocromador.
Queremos calcular el número de fotones incidentes. Para ello necesitamos la
potencia por unidad de área.
La potencia obtenida a la salida del monocromador la podemos relacionar con
el número de fotones incidentes, nf:
Teniendo en cuenta que la eficiencia cuántica es el número de electrones que
circulan por el circuito dividido por el nº de fotones incidentes:
donde
Estudio previo
¿Qué diferencia hay entre una célula monocristalina, una policristalina y una
amorfa?
¿Cómo se consigue una célula solar?
¿Qué es el gap de energía?
¿Por qué se escoge el silicio para la fabricación de células fotovoltaicas?
¿Qué es el rendimiento de una célula?
¿Qué tipo de célula es la que mejor rendimiento ofrece? ¿Por qué?
¿Qué es la región de carga espacial?
¿Qué es la eficiencia cuántica?
Informe
El informe de esta práctica debe constar de:

Representación de la curva I-V en oscuridad de las células
monocristalina y policristalina para 3 temperaturas diferentes.

Ajuste con origin de la curva experimental para obtener los parámetros
Io, A, RS, RSH

Representación de la curvas I-V y P-V en iluminación de las células
monocristalina y policristalina a 3 temperaturas diferentes.

Ajuste con origin de las curvas experimentales para obtener los
parámetros Isc, Voc, Imax, Vmax, FF.

Curvas I-V y P-V del panel fotovoltaico comercial.

Obtención de los parámetros de trabajo del panel.

Representación del nº de electrones por fotón para cada λ.

Representación de la potencia espectral del conjunto lámparamonocromador.

Representación del nº fotones incidentes para cada λ.

Representación de Jcc , nº electrones y eficiencia cuántica para cada λ.
Bibliografía

Magíster Marcela P. Barrera, ”Simulación y caracterización de celdas
solares multijuntura y de silicio cristalino para aplicaciones espaciales”,
República Argentina, 2009

Jenny Nelson, ”The Physics of Solar Cells”, Imperial College Press,
2006.

Charles E. Bacus, “Solar Cells”, IEEE Press, 1976.