Estudio del voltaje de circuito abierto y corriente en cortocircuito en modo fotovoltaico

29 days ago

Giovanni Marín

17/10/2025

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

Las características técnicas operativas de una celda solar o de un panel solar son datos importantes para dimensionar una instalación eléctrica con base a la energía solar fotovoltaica. La potencia eléctrica generada por un dispositivo fotovoltaico involucra a la potencia de la intensidad de la luz incidente, la temperatura a la cual opera la celda solar o el conjunto de ellas, el rango espectral o longitudes de onda de la fuente de iluminación y por supuesto, también depende de los materiales semiconductores con los que se fabrica el dispositivo optoelectrónico.

_{Esquema para las medidas del Voltaje de Circuito Abierto (Voc) y de la Corriente de Corto Circuito (Isc) con polarización inversa}

Seguimos el mismo procedimiento que he indicado en la última publicación, pero ahora conectamos el terminal positivo
del SourceMeter Keithley 2612B al contacto colocado sobre el material tipo n-CdS, mientras que el terminal negativo estará ahora conectado del lado del semiconductor con conductividad eléctrica tipo p-CIT.

A este tipo de configuración la he denominado "característica corriente-voltaje en polarización inversa" en modo fotovoltaico, que es diferente cuando estudiamos un fotoconductor o fotodetector, pues en ese caso se le inyecta un voltaje de polarización inversa de operación del dispositivo.

_{Medición del voltaje de circuito abierto en un dispositivo de unión p-n de semiconductores con polarización invertida.}

En este video muestro cómo medir la variación del voltaje de circuito abierto Voc y la corriente de cortocircuito Isc cuando cambiamos la intensidad de la fuente de iluminación.

Detalles para la medición de los parámetros Isc y Voc

SourceMeter KEITHLEY 2612B scr A

Fuente de corriente en el LED MCWHL6
SourceMeter KEITHLEY 2612B scr B

Contacto trasero: pintura de Plata (al terminal negativo)

Contacto delantero: pintura de Plata (al terminal positivo
)

Unión p-CuInTe₂/n-CdS

Estudio de la característica I-V

_{Datos de la dependencia del V_oc con la corriente del LED}

El voltaje de circuito abierto Voc no es más que la diferencia de potencial entre los terminales positivo
y negativo de este dispositivo optoelectrónico que estoy estudiando en modo fotovoltaico, por lo que no está conectado a ninguna carga o circuito eléctrico.

El voltaje de circuito abierto Voc también va disminuyendo levemente hasta un valor de estabilización de ± 4 mV en 5 minutos. Es notable que el signo del Voc es negativo considerando que la configuración de polarización está invertida respecto a los terminales del SourceMeter y de la unión p-n del dispositivo.

En la figura anterior represento el Voc de ambas configuraciones (directa e invertida) para comparación, observando una pequeña diferencia de valores absolutos de ≈ 4 mV.

Fotocorriente en cortocircuito

La celda solar o el panel solar fotovoltaico puede suministrar una potencia eléctrica útil para suministrar a un equipo eléctrico, por lo que es necesario conocer el valor de la corriente máxima que pueda aportar al sistema de consumo eléctrico. La Isc y el Voc corresponden a estos parámetros importantes para diseñar un sistema de energía alternativa adecuada según el consumo de corriente y voltaje, así que en esta ocasión mediremos la Isc en función de la intensidad de la radiación del LED de luz blanca al incrementar la corriente eléctrica suministrada al LED.

La fotocorriente generada al incidir una irradiancia del LED la hemos medido considerando la configuración "invertida", cuando no hay una carga de consumo eléctrico entre el terminal negativo del multímetro conectado con el semiconductor (p-CuInTe₂) y el terminal positivo conectado a la superficie del semiconductor (n-CdS) del dispositivo de unión p-n. Es obio que en esta configuración el valor de la Isc sea con signo "positivo", contrario a lo que debería ser si la conexión fuese en sentido directo en modo fotovoltaico. También se observa un incremento leve al pasar el tiempo, estabilizándose en ≈ 43.4 µA en 5 minutos.

Para realizar una comparación de los valores relativos en ambas configuraciones, presento la siguiente figura de Isc con el valor negativo de los valores de Isc obtenidos en la figura anterior.

Nuevamente, en ambos casos se observa un incremento relativo en los parámetros "voltaje de circuito abierto" y "corriente en cortocircuito", tal como se presenta en la siguiente figura:

La potencia eléctrica del dispositivo está relacionada con la corriente de cortocircuito (I_sc)^V=0V y la tensión de circuito abierto (V_oc)^I=0A, por lo que calculamos su producto, P_G = I_sc × V_oc

Se esperaría que los valores relativos en ambas configuraciones tuviesen la misma magnitud con un mínimo márgen de variación, por lo que la potencia eléctrica calculada en este dispositivo optoelectrónico debiera ser la misma, así que veamos la siguiente figura:

No olvidemos que existe un parámetro llamado Factor de Llenado (FF) que corresponde a la relación entre la potencia máxima del dispositivo (P_máx) y la potencia eléctrica global (P_G):

Aportes de esta publicación.

En un dispositivo de unión p-n, como en este caso: p-CuInTe₂/n-CdS, los parámetros característicos de voltaje de circuito abierto y corriente de cortocircuito tendrán los mismos valores absolutos cuando intercambiamos los terminales positivo y negativo del aparato de medida (multímetro SourceMeter Keithley 2612 B) en los contactos trasero (p-CuInTe₂) y delantero (n-CdS), siempre y cuando estemos realizando el estudio en modo fotovoltaico.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Panel fotovoltaico

○ ¿Qué es el I_sc de un panel solar? ¿Cómo se mide el I_sc?
○ Corriente de Cortocircuito
○ Voltaje de circuito abierto
○ Factor de llenado

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