parámetros de la célula solar

PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE
LA CÉLULA SOLAR
CURVA I-V
La curva IV de una célula solar ideal es la superposición de la curva IV
del diodo con la corriente fotogenerada .
La luz tiene el efecto de desplazar la curva IV hacia el cuarto cuadrante
en el que puede extraerse potencia del diodo.
Relación I-V de una célula solar ideal:
donde IL = corriente generada por luz.
(El término -1 puede ser despreciado)
De la curva IV se extraen importantes parámetros que caracterizan el
funcionamiento de las células solares (Isc , Voc , FF y eficiencia).
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO
La corriente de cortocircuito es la corriente a través de la célula solar,
cuando el voltaje entre sus terminales es cero (es decir, cuando la
célula solar está cortocircuitada). Por lo general, escrito como ISC , la
corriente de cortocircuito se muestra en la curva IV.
La corriente de cortocircuito se debe a la generación y recolección de
los portadores de carga generados.
Para una célula solar ideal la
Corriente de cortocircuito y la
generada por luz son idénticas.
Por lo tanto, la corriente de
cortocircuito es la mayor corriente
que puede extraerse de la célula solar.
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO
La corriente de cortocircuito depende de una serie de factores:
1. el área de la célula solar. Para eliminar esta dependencia se define
la densidad de corriente de cortocircuito (JSC en mA/cm2) en lugar
de la corriente de cortocircuito
2. el número de fotones (es decir, la potencia de la fuente de luz
incidente). Isc de una célula solar depende directamente de la
intensidad de la luz
3. el espectro de la luz incidente. Para la medición de células
solares se utiliza el espectro normalizado AM1.5
4. las propiedades ópticas (absorción y reflexión) de la célula solar
5. la probabilidad de generación de carga de la célula solar, que
depende principalmente de la pasivación de superficie y el tiempo de
vida de los portadores minoritarios en la base.
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO
Las células solares de silicio bajo un espectro AM1.5 tienen una
corriente Isc teórica máxima de 46 mA/cm2. células de laboratorio
han medido Isc de más de 42 mA/cm2, y las células solares
comerciales tienen Isc de entre 28 - 35 mA/cm2.
En un dispositivo ideal cada
fotón por encima del gap da un
portador de carga en el circuito
externo de modo que la mayor
Isc es para el más bajo gap.
Ejercicio 3.1
Vamos a comprobar la influencia de algunos de los parámetros citados sobre la
corriente Isc utilizando PC1D: El gap del semiconductor
Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM.
Estudiar el efecto del gap simulando un batch donde variemos su energía de 0 a 4eV:
Menú “Compute → Batch”; Habilitar “Quick Batch”; Seleccionar parámetro “AbsEi1”
Introducir “From: 0.1”, “To: 4”, “No. of steps: 20”; “Output Parameters: BaseIsc”.
Para que el gap se modifique necesitamos abrir el menu Device→ Material →
Optical y activar Model (300K) en la pestaña Intrinsic Absorption.
Además vamos a minimizar la resistencia externa que añade el fichero
PVCELL.PRM para evitar pérdida de tensión en ella. Para ello, abrir Excitation →
Circuit y en Base circuit poner una resistencia de 0 ohm-cm2.
Correr ahora la simulación. Comprobar que se cumple la dependencia de Isc con la
energía del gap en esta célula no ideal. ¿A partir de que valor de energía del gap ya
no se aprecia variación en la corriente Isc ?
Ejercicio 3.2
Comprobaremos ahora como afecta el Espesor de la célula a la corriente Isc (al variar
la absorción y la recombinación) utilizando PC1D:
Partimos del ejemplo original PVCELL.PRM. Para ello abrir un New File y después
abrir PVCELL.PRM desde el directorio original.
Estudiar el efecto del espesor de la célula simulando un batch donde variamos el
espesor de 10 a 1000 µm :
Menú “Compute → Batch”; Habilitar “Quick Batch”; Seleccionar parámetro “Thickness”
Introducir “From: 10”, “To: 1000”, “No. of steps: 20”; “Output Parameters: BaseIsc”.
Estimar cual sería el espesor que maximiza la Isc en esta célula particular. ¿Porqué a
pesar de aumentar la absorción de luz en la célula con el espesor, la corriente de
cortocircuito Isc no continúa aumentando? ¿Cuál de los tipos de gráficas que
permite visualizar el programa PC1D puede utilizar para comprobar su respuesta a
la pregunta anterior?
TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO
El voltaje de circuito abierto (Voc) es el voltaje máximo disponible en
una célula solar, y ocurre a corriente cero. Voc corresponde a la
cantidad de polarización directa de la célula solar debido a la
polarización de la unión por la corriente generada por la luz. Se
muestra en la curva IV.
Una ecuación de Voc se encuentra a partir de la ecuación de la célula
solar, haciendo I=0 para dar:
Voc depende sobre todo
de Io, que puede variar varios
Órdenes de magnitud.
Io depende de la recombinación.
Voc es entonces una medida de la recombinación en el dispositivo.
Células de Si monocristalino de alta calidad Voc ≈730 mV (1sol AM1.5)
Células de Si policristalinoVoc ≈ 600 mV (1sol AM1.5)
TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO
Voc en función de la banda prohibida de una célula solar con AM 0 y
AM 1.5:
El incremento de Voc con el gap se debe a la caída de la recombinación.
La caída brusca de Voc para gaps muy altos se debe a la baja ISC.
FACTOR DE LLENADO
El "factor de llenado” (FF) es un parámetro que, junto con Voc e
ISC, determina la potencia máxima a obtener de una célula solar.
En Voc e ISC la potencia de la célula solar es cero.
FF es el cociente de la potencia máxima de la célula solar entre el
producto de Voc e ISC . Gráficamente, FF es una medida de la
"cuadratura“ de la curva IV de la célula solar.
FACTOR DE LLENADO
El máximo FF teórico aumenta con el valor de Voc. No es fácil
conseguir aumentar Voc utilizando el mismo material, sino que se
recurre a otros materiales para aumentarlo.
El FF también depende del factor de idealidad o “factor n" del diodo.
El factor de idealidad es una medida de la calidad de la unión y del
tipo de recombinación en una célula solar. Para los mecanismos de
recombinación simples, el factor n tiene un valor de 1. Sin embargo,
algunos mecanismos de recombinación, sobre todo si son grandes,
pueden introducir valores de n=2 o superior.
Un alto valor de n no sólo degrada el FF, sino que también suele
indicar recombinación alta, y conduce a baja tensión de circuito
abierto.
En la práctica el FF será menor que el máximo teórico debido a la
presencia de pérdidas resistivas parásitas.
EFICIENCIA
La eficiencia es el parámetro más utilizado para comparar el
rendimiento entre células solares.
La eficiencia se define como el cociente entre la producción de
energía en la célula solar y la energía recibida del sol.
Depende del espectro y la intensidad de la luz solar incidente, y de la
temperatura de la célula solar. Por lo tanto, las condiciones bajo las
cuales se mide la eficiencia debe ser cuidadosamente controladas para
comparar el rendimiento entre dispositivos.
Uso Terrestre: condiciones AM1.5 con T= 25 ° C.
Uso espacial: condiciones AM0.
La eficiencia de una célula solar se determina como la fracción de la
energía incidente que se convierte en electricidad y se define como:
EFICIENCIA
Suele ser más habitual encontrar la eficiencia en tanto por ciento:
P max
x100(%)
Pin
Esta eficiencia obtenida a partir de las características eléctricas de la
célula no debe confundirse con la eficiencia cuántica.
La eficiencia cuántica mide
la razón entre el nº de
portadores extraídos de la
célula y el nº de fotones
que inciden sobre la célula
con una energía (o longitud
de onda) dada.
Ejercicio 3.3
Vamos a comprobar la influencia del Área de la célula en algunos de los parámetros
citados utilizando PC1D:
Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM.
Estudiar el efecto del área de la célula simulando un batch donde variemos el área de
1 a 100 cm2 :
Menú “Compute → Batch”; Habilitar “Quick Batch”; Seleccionar parámetro “Area”
Introducir “From: 1”, “To: 100”, “No. of steps: 11”; “Output Parameters: BaseIsc, BaseVoc,
BasePmax”.
Abrir en el menu Graph→ Copy Batch Data y llevar los datos de la simulación a
Excel. Representar Isc , Voc y Pmaxima frente al área de la célula. ¿Cómo es la
dependencia de Isc con el área? ¿Afecta de la misma forma a Voc?
Habilite una nueva columna en Excel y calcule la eficiencia de la célula para las áreas
estudiadas. Haga otro gráfico donde represente la eficiencia de la célula frente al
área de la misma. ¿Aumenta la eficiencia de la célula siempre que aumentamos el
área?¿Porqué?
FACTORES QUE CONDICIONAN EL
FUNCIONAMIENTO ELÉCTRICO DE LA
CÉLULA SOLAR
-Efectos resistivos
-Efecto de la temperatura
-Efecto de la intensidad de luz recibida
RESISTENCIA CARACTERÍSTICA
La resistencia característica de una célula solar es la resistencia de
salida de la célula solar en su punto de máxima potencia:
RCH
VMP
I MP
VOC
I SC
Si la resistencia de la carga es igual a la resistencia característica de la
célula solar, entonces la máxima potencia se transfiere a la carga y la
célula solar funciona en su punto de máxima potencia.
EFECTOS RESISTIVOS PARÁSITOS
Efectos resistivos en las células solares reducen la eficiencia de la
célula solar mediante la disipación de energía en las resistencias.
Las resistencias parasitarias más comunes son la resistencia serie y la
resistencia paralela. Su inclusión en el modelo de célula solar se
muestra en la figura:
El principal efecto de las resistencias parásitas es reducir el FF.
Dado que los valores de las resistencias dependen del área de la célula
solar, para comparar células diferentes se utilizan unidades Ωcm2
RESISTENCIA SERIE
La resistencia serie en una célula solar real se debe a:
1. Paso de la corriente a través del emisor y la base de la célula solar
2. la resistencia de contacto entre el metal y silicio,
3. la resistencia de los contactos de metal frontales y traseros.
El principal efecto de la resistencia serie es el de reducir el FF, aunque
valores excesivamente altos también pueden reducir ISC.
La resistencia serie no afecta al voltaje de circuito abierto de la célula
solar. Sin embargo, cerca de VOC, la curva IV está muy influenciada
por la resistencia serie. Una forma de estimar la resistencia serie de
una célula solar es mediante la pendiente de la curva IV en el punto
de tensión en circuito abierto.
RESISTENCIA SERIE
El efecto de la resistencia en serie en la curva IV se muestra a continuación:
RESISTENCIA PARALELO
La presencia de una baja resistencia paralela (RSH) es
normalmente debido a defectos de fabricación, en lugar de un
mal diseño de la célula solar.
Esta resistencia parásita provoca la pérdida de energía en las
células solares, proporcionando una ruta alternativa a la
corriente generada por la luz.
Esta desviación reduce la cantidad de corriente fluyendo a través
de la unión de células solares y reduce el voltaje de la célula
solar.
El efecto de RSH es particularmente grave en los niveles bajos de
luz, ya que habrá menos corriente fotogenerada y la pérdida de
parte de esta corriente en la derivación tiene un impacto mayor.
Una estimación del valor de RSH puede obtenerse de la
pendiente de la curva IV cerca del punto de corriente de
cortocircuito.
RESISTENCIA PARALELO
El efecto de una baja resistencia paralelo se muestra en las gráficas:
COMBINACIÓN RS & RSH
En presencia de ambas resistencias parásitas serie y paralelo, la
ecuación característica de la célula solar real es:
El diagrama circuital de la célula solar quedaría:
Ejercicio 3.4
Efecto de la resistencia serie estudiado con PC1D:
Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM.
Vamos a modificar la resistencia de los contactos de emisor y base para ver su efecto
sobre las curvas IV de la célula solar. Para ello, abrir el menu Device → Contacts y
hacer las resistencias internas del contacto de emisor y base iguales a 1.e-6 ohm.
Simular un batch donde variemos la resistencia del contacto de emisor de 1e-6 a
1ohm :
Menú “Compute → Batch”; Habilitar “Quick Batch”; Seleccionar parámetro “EmitterR”
Introducir “From: 1e-6”, “To: 1”, “No. of steps: 20”; “Output Parameters: BaseIsc, BaseVoc,
BasePmax”.
Abrir en el menu Graph→ Copy Batch Data y llevar los datos de la simulación a
Excel. Calcular el factor de llenado y la eficiencia para cada valor de resistencia de
emisor. Generar una gráfica semilogarítmica de la dependencia de FF y la eficiencia
con la resistencia. ¿A partir de que valor aproximado de la resistencia de contacto
de emisor se produce una pérdida drástica de eficiencia en la célula simulada?
Comprobar en PC1D como se ha modificado la forma de la curva IV con pequeños
incrementos de la resistencia (visualizar el historial de gráficas Base IV/Power
almacenadas por el programa).
EFECTOS DE LA TEMPERATURA
Como todos los dispositivos semiconductores las células solares son
sensibles a la temperatura.
Aumento de T reduce el gap del semiconductor afectando a todos los
parámetros del material.
El parámetro de la célula solar más afectado por T esVoc.
Voc decrece con la temperatura debido a la dependencia de Io con T.
Io se duplica por cada 10ºC de incremento de la temperatura.
EFECTOS DE LA TEMPERATURA
Efectos medidos en células de Silicio:
Voc ≈-2,2mV/ºC
Ejercicio 3.5
Efecto de la temperatura estudiado con PC1D:
Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM.
Simular un batch donde variemos la temperatura de la célula de 295 a 380K:
Menú “Compute → Batch”; Habilitar “Quick Batch”; Seleccionar parámetro “Temp”
Introducir “From: 295”, “To: 380”, “No. of steps: 20”; “Output Parameters: BaseIsc, BaseVoc,
BasePmax”.
Abrir en el menu Graph→ Copy Batch Data y llevar los datos de la simulación a
Excel. Representar Isc , Voc y Pmaxima frente a la Temperatura.
Realizar un ajuste lineal de la curva Voc frente a T y obtener la variación en mV por
cada grado Kelvin. Comprobar si coincide con la vista en teoría.
Comprobar en PC1D como se ha modificado la forma de la curva IV con pequeños
incrementos de la temperatura (visualizar el historial de gráficas Base IV/Power
almacenadas por el programa).
EFECTO DE LA INTENSIDAD DE LUZ
Cambios en la intensidad de luz incidente modifican todos los
parámetros vistos de la célula solar (ISC , Voc , FF, eficiencia, etc.)
Unidad de medida de intensidad de luz solar:
1sol=1kW/m2=100mW/cm2
Para reducir costes y aumentar eficiencia, se utilizan concentradores,
que son células de menor superficie diseñadas para trabajar a
intensidades superiores a 1 sol.
La ganancia en eficiencia se consigue con el aumento logarítmico de
Voc con el grado de concentración, no con el de ISC que viene de la
mayor intensidad incidente.
Los beneficios de los concentradores pueden reducirse por aumento
de pérdidas en la resistencia serie (ya que ISC aumenta) y por elevación
de la temperatura de trabajo de la célula.
Por el contrario, la baja intensidad de luz maximiza las pérdidas de
corriente debidas a una baja resistencia paralelo.
EFECTO DE LA INTENSIDAD DE LUZ
1 sol
5 soles
15 soles
25 soles
Ejercicio 3.6
Efecto de la intensidad de luz incidente estudiado con PC1D:
Abrir PC1D y cargar el ejemplo PVCELL.PRM original.
Antes de nada vamos a minimizar la resistencia externa que añade el fichero
PVCELL.PRM para evitar pérdidas de tensión en ella. Para ello, abrir Excitation →
Circuit y en Base circuit poner una resistencia de 0 ohm-cm2.
Simular un batch donde variaremos la intensidad de luz incidente en la célula de 1 a 10
soles:
Menú “Compute → Batch”; Habilitar “Quick Batch”; Seleccionar parámetro “PriInsySS” (Primary
source steady-state intensity); Introducir “From: 0.1”, “To: 1”, “No. of steps: 10”; Seleccionar
parámetro “PriInsyTR1” (Primary source initial transient intensity) Introducir “From: 0.1”, “To: 1”
; Seleccionar parámetro “PriInsyTR2” (Primary source final transient intensity); Introducir “From:
0.1”, “To: 1”; “Output Parameters: BaseIsc, BaseVoc, BasePmax”.
Abrir en el menu Graph→ Copy Batch Data y llevar los datos de la simulación a Excel.
Representar Isc , Voc y Pmaxima frente a la intensidad de luz incidente (PriInsySS). ¿Qué
parámetro es el más afectado por el cambio de intensidad de luz?
¿Aumentaría la eficiencia de la célula si se incrementa la radiación solar?
Habilite una nueva columna en Excel y calcule la eficiencia de la célula para las
intensidades de luz estudiadas. Haga otro gráfico donde represente la eficiencia de la
célula frente a PriInsySS. ¿Aumenta la eficiencia de la célula siempre que aumentamos la
intensidad de luz incidente?¿Porqué?