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CAPÍTULO 4Conversión fotovoltaica de la energía solar
MATERIAL DEL CAPÍTULO 4
Bibliografía
J. Twidell y T. Weir. Renewable Energy Resources.
Capítulo 7, Photovoltaic generation.
H. Häberlin. Photovoltaics: System design and practice.
The German Energy Society. Planning and Installing Photovoltaic Systems. A Guide for Installers, Architects and Engineers.
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CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
El desarrollo de la tecnología fotovoltaica puede dividirse en cuatro períodos
1839-1939
Descubrimiento del fenómeno y primeras investigaciones.
1940-1955
Primeras celdas prácticas para conversión de energía solar.
1956-1999
Primeras aplicaciones espaciales y terrestres.
2000-presente
Incremento exponencial en la producción y uso (masificación).
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CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Período 1839-1939 (algunos hitos destacados)
1839 (Edmund Becquerel )
Descubre el efecto FV en líquidos.
1875 (Adams y Day)
Muestran el efecto FV en sólidos. Celdas de selenio con 1-2% eficiencia.
1887 (Hertz)
Descubre el efecto fotoeléctrico.
1905 (Albert Einstein)
Publica explicación teórica del efecto fotoeléctrico.
1916 (Jan Czochralsky)
Desarrolla un método para producir cristales metálicos que luego se utiliza para fabricar cristales de silicio.
1927 (Grondhal y Geiger)
Observan el fenómeno en rectificadores electrónicos (negativo en su aplicación).
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CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Período 1940-1955 (algunos hitos destacados)
1954 (Pearson, Chapin y Fuller, de Bell Labs.)
Desarrollan la primera generación de celdas de silicio con eficiencias del 6%.
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CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Período 1956-1999
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1955-1970
Satélites
1970-1980
Primeras aplicaciones terrestres
1980-1990
Primeras instalaciones
CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Período 2000-presente
A partir de 2000 se produce un rápido crecimiento de la capacidad instalada: 1GW en 2000 a 303GW en 2016 (300x).
Solamente en 2016 se instalaron en el mundo más de 75.000 MW (un panel fotovoltaico promedio tiene potencias entre 150 y 300 W).
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8Fuente: IEA PVPS Trends 2017 in photovoltaic applications
http://www.iea-pvps.org/index.php?id=trends
Potencia instalada total (acumulada)Potencia instalada
sólo en 2016
CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Instalaciones actuales
Fuente: IEA PVPS Trends 2017 in photovoltaic applications
http://www.iea-pvps.org/index.php?id=trends
Potencia instalada durante 2016 Capacidad acumulada hasta 2016
CHINA, 46%
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CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Instalaciones actuales (cont.)
Aisladas de la red (off-grid)
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Conectadas a red
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Instalaciones actuales (cont.)
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Descentralizadas (distribuidas) Centralizadas
CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Instalaciones actuales (cont.)
Evolución del tipo de instalaciones
Fuente: IEA PVPS Trends 2016 in photovoltaic applications
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Capacidad instalada anualmente
Capacidad total
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CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Producción de celdas y paneles
Fuente: IEA PVPS Trends 2017 in photovoltaic applications
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Producción de paneles
(80 GW)
Producción de celdas
(77 GW)
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CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Producción de celdas y paneles (cont.)
Costos indicativos de paneles
El menor precio de 2016 fue 0.3 USD/Wp (grandes volúmenes y entrega diferida). El promedio para centrales fue 0.45 USD/Wp.
Se espera que para 2020 alcance 0.25 USD/Wp.
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Evolución del precio en tres
países diferentes en USD/Wp
Fuente: IEA PVPS Trends 2017 in photovoltaic applications
http://www.iea-pvps.org/index.php?id=trends
CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
Potencia instalada vs. costo del panel (curva de aprendizaje)
Cada vez que se duplica la potencia instalada el costo disminuye un 20%
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CELDAS FOTOVOLTAICAS
Principio de funcionamiento básico de una celda
Utilizan materiales semiconductores
Principalmente silicio (impulsado por la industria electrónica). También se utiliza galio y arsénico en celdas GaAs, cadmio y telurio en CdTe, y otros.
Si un fotón con suficiente energía y baja longitud de onda impacta sobre el semiconductor, puede liberar un electrón de su estructura.
En presencia de un campo eléctrico (creado en la juntura interna), los electrones liberados se desplazan, generando una corriente.
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CELDAS FOTOVOLTAICAS
Silicio puro (intrínseco)
El utilizado comercialmente, tiene concentraciones de impurezas inferiores a 1 en 109 átomos de Si y resistividad ρe = 2500 Ωm.
Pertenece al grupo IV, i.e. 4 electrones en la banda de valencia.
Sus propiedades eléctricas se describen mediante la teoría de bandas de energía.
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CELDAS FOTOVOLTAICAS
Centraremos la descripción en materiales cristalinos, que están caracterizados por un arreglo de átomos ordenado y periódico.
En un cristal de silicio cada átomo se vincula con cuatro adyacentes mediante enlaces covalentes (Fig. a).
Es más conveniente trabajar con una celda más grande que se conoce como celda básica o unitaria. Para el Si y otros semiconductores, tiene forma de cubo y se denomina red diamante (Fig. b). En el Si, la arista del cubo mide 5.43 ångströms (0.543 nm).
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a) b)
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Bandas de energía
En un cristal, dependiendo de la separación entre átomos (a), los niveles de energía originales se distorsionan, dando lugar a bandas de energía permitidas.
A baja temp. los electrones del cristal ocupan los niveles más bajos posibles pero, por el Principio de exclusión de Pauli, en cada nivel de energía permitido puede haber dos electrones.
Nivel de Fermi (EF)
Es el nivel de energía por debajo del cual están todos los niveles ocupados.
A medida que aumenta la temp., algunos electrones ganan energía sobre el Nivel de Fermi.
La probabilidad de ocupación de un estado permitido con energía E viene dado por la función de distribución de Fermi-Dirac
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1 FE E kTf E
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231.381 10 J/K :cte. de Boltzmank
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Nivel de Fermi en metales, aislantes y semiconductores
Metales
El nivel de Fermi se ubica en la última banda permitida (banda de conducción BC) que está parcialmente llena. Los electrones de la BC pueden moverse fácilmente y por lo tanto son buenos conductores de electricidad.
Aislantes
Tienen completa la última banda de energía (banda de valencia BV) y una brecha importante (banda prohibida Eg) hasta la próxima banda permitida (que es la BC). El nivel de Fermi cae en la banda prohibida. Los electrones no tienen posibilidad de moverse si son excitados. No son conductores.
Semiconductores
Similares a los aislantes, pero la banda prohibida es más chica. A temperatura ambiente algunos electrones de la BV (última banda ocupada) alcanzan energía suficiente como para pasar a la BC.
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Nivel de Fermi
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Densidad de portadores
Cuando un electrón de la banda de valencia (BV) es excitado (e.g. térmicamente o absorbiendo un fotón) y alcanza la BC, deja una carga positiva (hueco) en la BV.
Por lo tanto la corriente en los semiconductores se da por electrones en la BC y por huecos en la BV.
El movimiento de electrones y huecos obedece a la fuerza aplicada y a las fuerzas periódicas que actúan en el cristal.
La mayoría de los electrones en la BC y de huecos en la BV se ubican cerca de los bordes de las bandas.
La densidad de portadores es proporcional a (Fermi-Dirac):
Materiales puros (intrínsecos):
Materiales dopados:
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/FE E kTe
: energía de la banda prohibidagE
191.6 10 C, : ptencial definido por nivel de Fermi e
2F gE E E
/ 2F gE E e E
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Dopado del semiconductor
Material extrínseco tipo p (positivo)
Se obtiene agregando iones con menor valencia (p.ej. boro, grupo III)
Al entrar en la estructura cristalina del silicio (grupo IV) se convierten en receptores de electrones.
Producen trampas de electrones con niveles de energía dentro de la banda prohibida cercanos a la banda de valencia.
La ausencia de electrones libres implica que la corriente se debe cargas positivas (huecos) que se mueven por el material. Los portadores mayoritarios son huecos.
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CELDAS FOTOVOLTAICAS
Dopado del semiconductor (cont.)
Material extrínseco tipo n (negativo)
Se obtiene agregando iones con mayor valencia (p.ej. fósforo, grupo V)
Al entrar en la estructura del silicio (V) se convierten en donadores de electrones.
La presencia de electrones libres en la estructura aumenta la conductividad del material.
Los portadores mayoritarios son electrones.
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CELDAS FOTOVOLTAICAS
Nivel de Fermi
Describe el aumento de la conductividad del material
En un material n los electrones pasan fácilmente a la banda de conducción por excitación térmica. Análogamente, en un material p, los huecos pasan a la de valencia.
El Nivel de Fermi es un nivel de energía aparente en la banda prohibida, desde donde los portadores mayoritarios (electrones en n y huecos en p) son excitados para convertirse en portadores de carga (conducción).
Probabilidad aprox. proporcional a . Para silicio altamente dopado (Nd=1022 m-3) resulta
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Nivel de Fermi
/e kTe
0.2 eV / 2 1.11/ 2 0.55 eVge E
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1.381 10 J/K
1.6 10 C
: nivel de Fermi
F
F
k
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e E E
E
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Juntura p-n
Es creada por la variación en el dopaje del semiconductor
Supongamos que la juntura se forma instantáneamente (idelaización):
Los electrones en exceso de n pasan a p, y los huecos de p a n (difusión).
La acumulación de cargas produce un campo eléctrico que se contrapone a la difusión hasta que se alcanza un equilibrio.
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CELDAS FOTOVOLTAICAS
Juntura p-n (cont.)
En equilibrio, el Nivel de Fermi es constante en todo el material.
Exceso de carga negativa en el material tipo p y de carga positiva en el n.
La banda prohibida sigue existiendo, y las bandas de valencia y de conducción tienen un salto en la juntura (con corriente cero: VB~0.8 V).
La densidad de portadores en la juntura se reduce (son expulsados por el campo eléctrico).
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Reemplazar
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Juntura p-n (cont.)
Zona de vaciamiento
En esta zona la densidad de portadores disminuye varios ordenes (al menos 5) respecto de las regiones n y p.
Su ancho (del orden del μm) está dado por
Un valor típico es
La propiedad de transportar cargas en la juntura depende de que los portadores minoritarios lleguen a la zona de vaciamiento y sean impulsados por el campo eléctrico.
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02 r BVw
e n p
ε0 : permeabilidad del vacío
ε r : permeabilidad relativa del material
VB: potencial de la juntura
n, p: densidad de electrones y huecos
e : carga del electrón
0.5 mw
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Juntura p-n (cont.)
Tiempo de recombinación y longitud de difusión
Los electrones y huecos que se generan se recombinan luego de un tiempo de relajación τ, desplazándose una distancia L (longitud de difusión).
El ancho de la zona de vaciamiento (w) debe ser inferior a la longitud de difusión de los portadores minoritarios (antes que se recombinen).
El tiempo de relajación disminuye con el dopado y con las imperfecciones del cristal, las irregularidades de la superficie y otros defectos.
Para un material intrínseco (puro) τ ~1s y para los dopados comerciales τ ~10-2 – 10-8s.
Debido a las técnicas de fabricación y las grandes áreas, la recombinación superficial es un problema en las celdas fotovoltaicas.
La longitud de difusión está dada por (relación de Einstein)
Distancia de difusión para portadores minoritarios en silicio tipo p
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100 mL w
L D
D: constante de difusión