dominican republic| nov-16 | celdas solares
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Dr. Arturo Fernández Madrigal
Instituto de Energías Renovables –UNAM
Tel +52-5556229705
Taller Regional: Fuentes de energía sostenibles para el desarrollo
rural y la resiliencia de comunidades en Centroamérica, el Caribe y México Noviembre 16-18,2016
• De la población de 112 millones de personas en Mexico, el 97% tienen acceso a la red eléctrica de la CFE
• 3.5 millones de personas no tiene acceso a la red electrica
• A partir del año 1955 se ha invertido la población rural a la población urbana de 70:30 a 30:70.
• Como resultado se ha provocado el abandono de los campos agrícolas y se a causado trastornos en el desarrollo urbano.
• Para el rescate de las zonas rurales es necesario proveer energía eléctrica, con el propósito de mejorar el sector agropecuario: irrigación, preparación de las tierras y fertilización; sector doméstico: iluminación, elaboración, preparación y conservación de los alimentoso; sector de la industria y los servicios comerciales rurales: iluminaciónel propósito de poder extraer el agua de los pozos, expandir la agricultura, proveer servicios de salud; procesos industriales; - servicios comunales y sociales: bombeo de agua, refrigeración para los centros de salud; iluminación de las instalaciones comunales.
El efecto fotovoltaico es el proceso a través del cual la radiación solar es convertida a electricidad. Los dispositivos en donde se lleva a cabo esta transformación se llaman celdas solares, la cual es la unidad mínima en donde se lleva a cabo dicha transformación. Es posible definir al "efecto fotovoltaico" como la generación de una fuerza electromotriz, cuyo producto es el efecto de la radiación ionizante en un material. Este efecto ocurre en materiales, en estado gaseoso, líquidos y sólidos. Es en los sólidos, y particularmente en algunos materiales del tipo semiconductores en donde es posible obtener eficiencias aceptables de conversión de energía solar a energía eléctrica.
Principio de funcionamiento
Unión
p-n
Celda Solar
• La estructura básica de una celda solar es la unión p-n.
• Al recibir la radiación solar en forma de fotones, una parte de ella será absorbida por algunos electrones de valencia en ambos semiconductores, creándose un electrón fotogenerado y por consecuencia dejando un hueco fotogenerado.
• Los portadores de carga fotogenerado viajan dentro de la estructura hacia la unión, bajo un gradiente de concentración.
• En la unión radica aparece un campo eléctrico externo que actúa sobre estos y los separa, (los electrones generados al lado n y a los huecos al lado p.
• La concentración de electrones fotogenerados en el lado n y de los huecos en el lado p, son los responsables que aparezca un fotovoltaje.
• Este fotovoltaje es el responsable de enviar al exterior a dichos portadores de carga, produciéndose una corriente IL, si se coloca una resistencia de carga en los
extremos de la celda solar.
• Los principales parámetros
característicos de una estructura
fotovoltaica son:
• el voltaje del circuito abierto, VOC;
• la corriente a corto circuito, ISC;
• la corriente de saturación, I0;
• el voltaje máximo que origina la
potencia máxima,
• VM; la corriente máxima que
origina la potencia máxima,
• IM; la potencia máxima PM y
• FF, es el factor de llenado, el cual
representa la cuadratura de la
curva I-V (Fig.4) en términos de
ISC y VOC.
Una medición corriente-voltaje, es aquella
en la que se aplican una o más diferencias
de potencial (o voltajes) y se mide la
corriente I que pasa por el material o
dispositivo.
Parámetros característicos de una celda solar
Las celdas solares se clasifican en: Primera generación: Son las celdas formadas por
dispositivos de homounión. Existen las del tipo mono y policristalinas de silicio, principalmente.
Segunda generación: Son las celdas formadas por heterouniones en forma de película delgada, depositadas en un substrato rígido o flexible. El rango de espesores de estas varia desde algunos nanómetros hasta decimas de micra.
Tercera generación: Denominadas también celdas solares emergentes. Representan innovaciones, basadas en compuestos orgánicos o inorgánicos. (celdas solares sensibilizadas, organicas, microesferas, etc.)
Avances de celdas solares basadas en Silicio
Se trabajan en mejorar la produccion los procesos obtener
Si grado celda solar, encontrandose una mejora de 5 veces
que los metodos tradicionales.
Se explora como reducir costos de las tecnologias de fabricacion
de celda de diversos tipos de silicio (poli, mono y amorfo).
Se explora la posibilidad de utilizar al silicio poros para mejorar
las caracterisiticas fotovoltaicas.
Se esta desarrollando el silicio en forma de cinta, con espesores del
orden de 100 μm.
En silicio amorfo, es posible alanzar eficiencias entre 5-7%,
pero usando dobles o triples uniones es posible incremantarla a 8-10%.
Se estudia el desarrollo de variantes usando Carburo de Silicio amorfo
(a-SiC), Germanio silicio amorfo (a-SiGe), Silicio microcristalino (μc-Si),
Nitruro de silicio amorfo (a-SiN)
Celdas solares de película
delgada
Celdas Solares de película delgadas Entre las mas importantes desde el punto de
vista tecnológico y comercial se encuentran las siguientes:
Teluro de Cadmio (CdTe).
Diselenuro de cobre indio galio (CIGS).
Celdas solares sensibilizas (DSC).
Celdas solares orgánicas.
Películas delgas de silicio (TF-Si).
Celdas solares de Película delgada Cu(In,Ga)Se2
ZnO
CdS
Cu(In,Ga)Se2
absorbedor
Sustrato
Contacto
superiorZnO:Al
Contacto
inferiorMo
3 mm
1 µm
1- 3 µm
50 nm
80 nm
500 nm
Radiación
MoSe2 50 nm
celdas solares con eficiencia de 20,8 %
Utilizando evaporación reactiva .
Mo
CIGS
ZnO:Al
CdS
ZnO
Mo
CIGS
ZnO:Al
CdS
ZnO
(a) (b)
Celda Solar con eficiencia del 2.1% elaborada
por la tecnica del electrodeposito
0 100 200 300 400 500 600
-30
-20
-10
0
CIGS por evaporación
Irradiancia = 1 000 W/m2
Área de la celda = 0,237 cm2
Vca = 573 mV
Jcc = 32,03 mA/cm2
FF= 0,533
9,78 %
CIGS por ED simultáneo
y selenización
Irradiancia = 1 000 W/m2
Área de la celda = 0,21 cm2
Vca = 354 mV
Jcc = 27,9 mA/cm2
FF= 0,287
2,83 %
CIGS por evaporación,
De
nsid
ad
de
co
rrie
nte
(m
A/c
m2)
Voltaje (mV)
CIGS por ED simultáneo
y selenización
Celdas solares de Sulfuro de Antimonio
configurations of solar cells prepared by thermal
evaporation
Diego Pérez-Martínez, José Diego Gonzaga-Sánchez, Fabiola De Bray-Sánchez, Geovanni Vázquez-García, José Escorcia-
García, M. T. S. Nair, and P. K. Nair*. (2016). Simple solar cells of 3.5% efficiency with antimony sulfide-selenide thin
films. P hys. Status Solidi RRL, 10(5), 388–396.
Celdas Solares de Sulfuro de Estano
15
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
Jsc: 6.23 mA/cm2
Voc: 0.470 V
FF: 0.44
: 1.28 %
Area: 1 cm2
J (
mA
/cm
2)
V (V)
SnS-CUB (550 nm)
ZnO:Al (450 nm)
Ag
Iluminación
S.S. (HCl) 0.61 mm
ZnO (180 nm)
CdS (50 nm)
400 500 600 700 8000
10
20
30
40
50
ZnO
Eg=3.2 eV
CdS
Eg=2.5 eV
SnS-T
SnS
Eg=1.74 eV
(nm)
EQ
E (
%)
ZnO-T
CdS-T
0
25
50
75
100
T (
%)
Large cubic structure (64 atoms)
• SnS by Chemical bath deposition
(CBD) • Band gap 1.77 eV • p-type conductividy 10-6 -1 cm-1
• The product measuremetn of thin films Cub-SnS is 2x10-7 cm2 V-1. A. R. Garcia-Angelmo, et al Phys. Status Solidi A 212, 2332 (2015).
R. E. Abutbul, Ana Rosa Garcia-Angelmo, et al, CrystEngComm,18, 5188 (2016)
Celdas solares Sensibilizadas con colorantes (DSSC)
Curva I-V para celda solar usando
pasta comercial de titanio
nanoporoso
Curva I-V para celda solar unsando pasta
comercial Dyesol™
Celdas solares hibridas
Heterouniones (a) Planar, (b) bulto, (c) Mezcla de naoparticulas dispersas, (d) Capa rugosa
Diversos polimeros
Conductores
Grupo de Celdas Solares Híbridas
Materiales orgánicos e
inorgánicos:
- Polímeros conductores
- Sulfuros y óxidos
metálicos
- Perovskitas Métodos de síntesis y
depósito:
- Baño químico
- Microondas
- Spin-coating
- Evaporación
Algunos trabajos representativos - Hernández-Granados, A. et al., “Sb2(SxSe1-x)3 sensitized solar cells prepared by solution deposition
methods”, Mat. Sci. Semicon. Proc. 2016, 56, 222-227.
- Moreno-Romero, P. M. et al., “Study of potential inhibitors to limit degradation of organometallic
halides perovskites”, 2015 Materials Research Society (MRS) Fall Meeting & Exhibit, Boston, MA,
USA.
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Sin TiO2 mp
Jsc
= 1.69 mA/cm2
Voc
= 0.941 V
FF= 0.564
= 0.897%
V (V)
J (m
A/c
m2)
Con TiO2 mp
Jsc
= 17.84 mA/cm2
Voc
= 0.935 V
FF= 0.367
= 6.12%
Con permiso del Miguel Contreras, NREL-2009
Gracias