Eficiencia de conversión en celdas solares

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Eficiencia de Celdas Solares

Giovanni Marín, 18 de Febrero de 2020


En las clases de Termodinámica mi Profesora Flor Pérez explicaba el Ciclo de Carnot con una gran facilidad que podíamos aplicar esos conocimientos a resolver toda clase de problemas que involucraba una máquina térmica que operaba con procesos isotérmicos y adiabáticos cuando entraba o salía calor del sistema. Era una manera de determinar la eficiencia de una máquina térmica y en esta ocasión nos vamos a ocupar en la manera de fabricar y activar eléctricamente al prototipo de Celda Solar y encontrar la eficiencia de conversión de la Energía Solar a Energía Eléctrica, usando un simulador de irradiancia solar AM1.5.

La eficiencia de una máquina térmica no es única, no siempre es del 91% o 6%, puesto que va a depender de la magnitud del calor que entra o sale, o equivalentemente de las temperaturas de los focos de calor. De manera análoga, la eficiencia de conversión energética de una celda solar depende de varios factores físicos, químicos, geométricos y de que los componentes de la celda solar se ubiquen en la zona de máxima irradiancia sola Lo diferencia radica en que en esta última la eficiencia máxima está limitada al 30%, según el Teorema de Shockley-Queisser.



Determinación de la eficiencia de conversión de una Celda Solar.

Original de iamphysical


Terminología básica

Ya lo he señalado en publicaciones anteriores, la gráfica de la irradiancia solar en función de la longitud de onda (o energía) es muy importante porque nos permite ubicarnos en la zona de máxima irradiancia que puede aumentar la eficiencia de conversión más cercana al 30%.


File:MODIS ATM solar irradiance.svg

Irradiancia Solar AM1.0 y AM1.5.

Esto no lo dejaré de presentar cada vez que hable de eficiencia de conversión de una celda solar, ya que es primordial resaltar lo siguiente:

  • El material absorbente debe tener una brecha de energía entre 645 nm y 1240 nm para aprovechar la máxima irradiancia solar.
  • Tratar que la EG no coincida con los picos de absorción atmosférica y partículas de agua, según la irradiancia directa.
  • La irradiancia directa considera el decaimiento de la potencia de la radiación solar al atravesar la masa de aire terrestre y se denomina AM1.5
  • La utilización de celdas solares en naves espaciales son gobernadas por la irradiancia espacial o fuera de la atmósfera y no se ve afectada por los picos mencionados antes. Se le conoce como radiación AM1.0
  • El efecto fotovoltaico requiere el uso de materiales sensibles a la radiación de fotones incidentes, reduciendo la resistencia eléctrica y aumentando los mecanismos de conducción de los portadores de carga.



Celda Solar de CuInTe2
Original de iamphysical

 

Simulador Solar

Se refiere a un sistema óptico que utiliza una lámpara de Xenón que simula el espectro electromagnético del Sol, donde se integran todas las longitudes de ondas en el rango mostrado en la curva de irradiancia solar.

Procedimiento para la activación térmica de la unión p-n.

Se sabe que si se coloca un cuaderno sobre un libro, vamos a tener disponibilidad de cada uno de ellos por separado a menos que utilicemos un pegamento adecuado y un tiempo de secado para garantizar la unión entre ambos elementos. Algo similar ocurre con las diferentes capas que configuran una celda solar y se requiere de una metodología para la activación de la misma.

  1. Depositar las diferentes capas de semiconductores según la técnica apropiada de recubrimiento.
  2. Colocar los contactos eléctricos de Indio sobre la superficie superior.
  3. Introducir el prototipo de celda solar dentro del horno CVD, hacerle vacío dinámico (10-5 Torr) y calentar hasta 700 ºC durante 30 minutos.



El contacto eléctrico trasero, realizado con pintura de Plata puede sufrir daños por calentamiento del polímero y secador de esmalte, pero en términos generales "sobrevive" al choque térmico..


Proceso Térmico Rápido de las capas delgadas

Para los prototipos de celdas solares en la configuración de películas delgadas, tuve mayor precaución con la temperatura y tiempo de activación de la celda, aunque sacrifiqué el vacío dinámico! Resulta que el Rapid Thermal Processing (RTP) normalmente es entre 1 y 10 segundos de duración con temperaturas entre 500 y 1000 ºC en la mayoría de los casos, así que debía introducir y sacar la muestra rápidamente y por eso no pude utilizar el horno CVD..




Capas delgadas de semiconductores.
Original de iamphysical


Al estudiar los diferentes prototipos de celdas me encontré con una nula eficiencia (0,03 %), nada de efecto fotovoltaico! Así que comencé a estudiar capa a capa y el efecto que tiene el calentamiento a altas temperaturas.

 

Recocido Térmico de películas delgadas

Sometí a calentamiento algunas muestras que tenía de CdS depositadas sobre vidrio mediante la técnica de Deposición por Baño químico a varias temperaturas, entre 300 ºC y 600 ºC:



Recocido Térmico de CdS a diferentes temperaturas.
Original de iamphysical


El tratamiento térmico produce cambios importantes sobre las películas delgadas de CdS, ya que modifica su coloración (posiblemente un cambio estructural y de brecha de energía) y su resistencia eléctrica aumenta en algunos casos o se "quema" la película destruyendo su conductividad.




Aportes del artículo

Al principio de las investigaciones sobre las Celdas Solares, me parecía que sería muy sencillo obtener una unión p-n de semiconductores cuyas técnicas de deposición se basan en seguir una receta y realmente me he encontrado varios entramados tecnológicos que hay que superar de manera "técnica". Por ejemplo, el tema de "recocido" debe hacerse en una cámara de vacío y a una temperatura "baja" que no destruya las propiedades efectivas del material semiconductor. Aquí, inevitablemente, el tiempo se prolonga más de lo deseado (menos de 1 minuto) por lo que la aplicación del RTP es imposible bajo estas condiciones. Continuaré buscando información sobre el tema de activación de la celda solar y ya estoy solicitando la colaboración de otros investigadores con mayor experiencia en la fabricación de dispositivos, ya que aun no he tenido éxito en fabricar un prototipo que funcione adecuadamente, lo siento!


Hasta pronto mis estimados amigos de stem-espanol y de la comunidad científica steemstem.

 

Información en la web

Próxima Publicación.

Semiconductores binarios y su aplicación en dispositivos

Autor y Redactor

Giovanni de Jesús MARÍN LOBO

Licenciado en Física, con Maestría y Doctorado en Química Aplicada, mención Estudio de Materiales.

Actividades como Investigador Científico en la Física del Estado Sólido y la Materia Condensada, especialmente en el tema de los Semiconductores desde el año 1994.

Profesor Asistente en la Universidad de Los Andes, Investigador Científico en institutos de Investigación Científica y Tecnológica durante los últimos 12 años.

En la actualidad colaboro con el Proyecto steemSTEM en la revisión de las publicaciones escritas en ESPAÑOL sobre los temas de Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas mediante las curaciones que hacemos en la comunidad STEM- Espanol.

Mi pasión por la investigación me ha llevado a proponer a los materiales semiconductores como un ente capaz de reaccionar ante los estímulos externos de presión, temperatura, corriente, voltaje, iluminación y otros mecanismos que harían saltar a una persona al sentir cualquiera de estos factores de estímulo.

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Estimado Prof. Giovanni,

Gracias por compartirnos esta información sobre celdas solares. Tengo una curiosidad, ¿por que es importante calentar la unión p-n en un horno con vacío?

"Introducir el prototipo de celda solar dentro del horno CVD, hacerle vacío dinámico (10-5 Torr) y calentar hasta 700 ºC durante 30 minutos"

Saludos

@tipu curate

Saludos
El tratamiento térmico es un proceso complementario que se aplica a los semiconductores para mejorar sus propiedades estructurales, ópticas y eléctricas. En la unión metal-semiconductor o heterounión p-n se usa un horno de resistencia eléctrica con un un sistema de vacío dinámico que disminuye la presión interna y el material "siente una temperatura mayor" por lo que no es necesario tener altas temperaturas en el horno, también se evita la formación de capas de óxido al realizarse en un sistema cerrado y no al aire. El recocido de la unión p-n provoca una difusión de un material al otro, reduciendo el ancho de la barrera de potencial que existe en la región de carga espacial entre los semiconductores p y n.

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