placas solares jose maría conesa alonso alicia garcía moreno lorena lim arriola miguel marín...

PLACAS SOLARESPLACAS SOLARES

Jose María Conesa AlonsoJose María Conesa Alonso

Alicia García MorenoAlicia García Moreno

Lorena Lim ArriolaLorena Lim Arriola

Miguel Marín SánchezMiguel Marín Sánchez

José Manuel Sancho GómezJosé Manuel Sancho Gómez

Conceptos básicosConceptos básicos

Efecto fotovoltaico: conversión de Efecto fotovoltaico: conversión de luz en electricidad.luz en electricidad.

Materia: constituida por átomosMateria: constituida por átomos Núcleo: carga eléctrica positiva y Núcleo: carga eléctrica positiva y

neutrones.neutrones. Electrones: carga eléctrica negativa. Electrones: carga eléctrica negativa.

Los electrones de la última capa son Los electrones de la última capa son electrones de valencia que al unirse con electrones de valencia que al unirse con otro forman redes cristalinas.otro forman redes cristalinas.

Tipos de materialesTipos de materiales

Conductores: electrones de valencia Conductores: electrones de valencia poco ligados al núcleo.poco ligados al núcleo.

Semiconductores: electrones de Semiconductores: electrones de valencia más ligados al núcleo.valencia más ligados al núcleo.

Aislantes: configuración muy estable.Aislantes: configuración muy estable.

Los materiales usados en las celdas Los materiales usados en las celdas solares son los semiconductores.solares son los semiconductores.

Celdas solaresCeldas solares

Transforman directamente la energía Transforman directamente la energía solar en energía eléctrica. solar en energía eléctrica.

Energía resultante de reacciones Energía resultante de reacciones nucleares de fusión.nucleares de fusión.

Estructura Estructura semiconductoressemiconductores

Materiales: Si, Ge, P, As.Materiales: Si, Ge, P, As. Estructura del Si: Estructura del Si:

segundo elemento del planeta más abundante.segundo elemento del planeta más abundante. 14 electrones y 14 protones14 electrones y 14 protones, 4e, 4e-- de valencia. de valencia. se presenta en la naturaleza de dos formas distintas, se presenta en la naturaleza de dos formas distintas,

una amorfa y otra cristalizada una amorfa y otra cristalizada

Semiconductor “tipo I”Semiconductor “tipo I”

Celda elemental de Si: Celda elemental de Si: se unen 5 átomos del material, enlace se unen 5 átomos del material, enlace

covalentecovalente. . no hay electrones libres, por lo cual se no hay electrones libres, por lo cual se

denomina conductor intrínseco o “tipo I”.denomina conductor intrínseco o “tipo I”.

Semiconductor “tipo N”Semiconductor “tipo N”

Si incorporamos Si incorporamos una impureza, P (5 una impureza, P (5 electrones de electrones de valencia) habrá un valencia) habrá un electrón libre.electrón libre.

El material tendrá El material tendrá exceso de cargas exceso de cargas negativas.negativas.

Semiconductor “tipo P”Semiconductor “tipo P”

Si incorporamos B Si incorporamos B (3 electrones de (3 electrones de valencia) valencia) aparecerá un aparecerá un hueco.hueco.

No se produce No se produce enlace covalente y enlace covalente y hay exceso de hay exceso de cargas positivas.cargas positivas.

Unión “NP”Unión “NP” Unión de material “tipo N” y “tipo P”. Unión de material “tipo N” y “tipo P”. Los electrones sobrantes del material Los electrones sobrantes del material

N pasan hacia el material P y los N pasan hacia el material P y los “huecos” del material P pasan al “huecos” del material P pasan al material N.material N.

Cuando la luz incide sobre el Cuando la luz incide sobre el semiconductor, se liberan electrones semiconductor, se liberan electrones del átomo de Si, se rompe el del átomo de Si, se rompe el equilibrio de la unión NP y se equilibrio de la unión NP y se producen los denominados par producen los denominados par “electrón-hueco”. “electrón-hueco”.

Se genera un campo eléctrico que al Se genera un campo eléctrico que al conectar una carga externa entre conectar una carga externa entre ambas zonas, genera la corriente ambas zonas, genera la corriente eléctrica.eléctrica.

Para el Si, se pueden obtener Para el Si, se pueden obtener potenciales de aproximadamente potenciales de aproximadamente 550mV.550mV.

Tipos de celdas de SiTipos de celdas de Si Monocristalinas:Monocristalinas:

estructura atómica muy ordenada.estructura atómica muy ordenada. rendimiento entre el 15% y el 18%. rendimiento entre el 15% y el 18%. difícil construcción, alto precio.difícil construcción, alto precio.

Policristalinas:Policristalinas: estructura atómica no tan ordenada como en estructura atómica no tan ordenada como en

el monocristalino.el monocristalino. rendimiento entre el 12% y el 15% .rendimiento entre el 12% y el 15% .

Amorfas:Amorfas: estructura atómica bastante desordenada.estructura atómica bastante desordenada. rendimiento es inferior al 10%.rendimiento es inferior al 10%. fabricación sencilla, más barato.fabricación sencilla, más barato.

Elementos de una celda Elementos de una celda solar de Sisolar de Si

Un contacto superior en la zona del material Un contacto superior en la zona del material “tipo N”.“tipo N”.

Dos semiconductores “tipo N” y “tipo P”.Dos semiconductores “tipo N” y “tipo P”. Un contacto inferior en la zona del material Un contacto inferior en la zona del material

“tipo P”.“tipo P”.

Características de las Características de las celdas solaresceldas solares

Características I-VCaracterísticas I-V Voltaje de circuito abierto Voltaje de circuito abierto

VOC VOC Corriente de cortocircuito ISCCorriente de cortocircuito ISC Potencia Máxima (rectángulo)Potencia Máxima (rectángulo)

Factor de llenado (fill factor) :Factor de llenado (fill factor) : cociente entre el rectángulo de cociente entre el rectángulo de máxima potencia y el rectángulo máxima potencia y el rectángulo inscrito entre el voltaje de inscrito entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de circuito abierto y la corriente de corto circuito. Esta medida nos corto circuito. Esta medida nos da una idea de la calidad de la da una idea de la calidad de la celdacelda

Eficiencia celdas solaresEficiencia celdas solares

Definición :Definición :Relación Relación entre la potencia entre la potencia eléctrica generada por eléctrica generada por unidad de área (W/m2) y unidad de área (W/m2) y la irradiación solar la irradiación solar incidente (W/m2) para incidente (W/m2) para obtenerlaobtenerla

Máximas eficiencias Máximas eficiencias teóricas para las celdas teóricas para las celdas solares para diversos solares para diversos materialesmateriales ( (J.J. Loferski J.J. Loferski 1963)1963)

Tecnología de fabricación Tecnología de fabricación de celdas solares de Siliciode celdas solares de Silicio

Silicio monocristalino:Silicio monocristalino:estructura estructura cristalina uniformecristalina uniforme

Silicio policristalino:Silicio policristalino:estructuras ubicadas estructuras ubicadas arbitrariamente. Estos “granos” hacen arbitrariamente. Estos “granos” hacen que la estructura no sea uniforme y se que la estructura no sea uniforme y se obtenga una eficiencia menorobtenga una eficiencia menor

Silicio amorfo:Silicio amorfo:presenta todavía bajos presenta todavía bajos niveles de eficienciasniveles de eficiencias


El Silicio se obtiene a partir de elementos El Silicio se obtiene a partir de elementos como arena o cuarzocomo arena o cuarzo

Se presentan en la naturaleza con altos Se presentan en la naturaleza con altos grados de impurezas, por este motivo es grados de impurezas, por este motivo es necesario procesarlos necesario procesarlos

Obtenemos un Silicio con propiedades de Obtenemos un Silicio con propiedades de semiconductor y así lograr celdas de alta semiconductor y así lograr celdas de alta eficienciaeficiencia

el Silicio es el segundo elemento más el Silicio es el segundo elemento más abundante en la superficie terrestre, luego abundante en la superficie terrestre, luego del oxígeno.del oxígeno.


Producción de Silicio PolicristalinoProducción de Silicio Policristalino ProcesoProceso

Consiste en llevar los granos de cuarzita a Consiste en llevar los granos de cuarzita a temperaturas sumamente elevadas, agregando carbón temperaturas sumamente elevadas, agregando carbón para eliminar el oxigeno presente en la cuarzita y para eliminar el oxigeno presente en la cuarzita y producir una sustancia gris metálica brillante de una producir una sustancia gris metálica brillante de una pureza de aproximadamente 99%.pureza de aproximadamente 99%.

Para llegar a purezas de 99,9999%, la sustancia Para llegar a purezas de 99,9999%, la sustancia obtenida es depurada mediante un proceso similar al obtenida es depurada mediante un proceso similar al utilizado en las refinerías de petróleo, llamado utilizado en las refinerías de petróleo, llamado destilación fraccionadadestilación fraccionada


Producción de Silicio Producción de Silicio MonocristalinoMonocristalino

ProcesoProceso Método de crecimiento de Método de crecimiento de

Czochralski (CZ)Czochralski (CZ) El Silicio Policristalino se funde en El Silicio Policristalino se funde en

un crisol a temperaturas cercanas un crisol a temperaturas cercanas a 1.410ºC, a 1.410ºC,

Se intriduce una “semilla” de Se intriduce una “semilla” de Silicio Monocristalino, Silicio Monocristalino,

Se retira lentamente (10cm/hora) Se retira lentamente (10cm/hora) haciendo crecer un lingote haciendo crecer un lingote cilíndrico de material cilíndrico de material Monocristalino Monocristalino


Método Flotante (FZ)Método Flotante (FZ) Se coloca una “semilla” Se coloca una “semilla”

Monocristalina sobre una barra de Monocristalina sobre una barra de Silicio PolicristalinoSilicio Policristalino

Luego gracias a una bobina que Luego gracias a una bobina que induce un campo eléctrico, la induce un campo eléctrico, la barra se calienta y se funde con la barra se calienta y se funde con la semillasemilla

Al desplazarse completamente por Al desplazarse completamente por la bobina permite la obtención del la bobina permite la obtención del lingote de Silicio Monocristalino lingote de Silicio Monocristalino

Este lingote es más puro que el Este lingote es más puro que el producido con el método CZproducido con el método CZ


Producción de obleasProducción de obleas Una vez obtenido el cilindro de Una vez obtenido el cilindro de

Silicio Monocristalino, se Silicio Monocristalino, se procede a cortar las obleas o procede a cortar las obleas o wafers con espesor aproximado wafers con espesor aproximado de 300umde 300um

Para realizar esta operación se Para realizar esta operación se utiliza una sierra con utiliza una sierra con multifilamentos, la cual al cortar multifilamentos, la cual al cortar las obleas produce partículas de las obleas produce partículas de SilicioSilicio

Se pierde casi un 20% de Se pierde casi un 20% de materialmaterial


Producción de obleasProducción de obleas Las obleas son dopadas con átomos de Las obleas son dopadas con átomos de

Fósforo en un horno a temperaturas entre Fósforo en un horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para obtener la capa N800ºC y 900ºC para obtener la capa N

El substrato tipo P se logra, antes de El substrato tipo P se logra, antes de obtener los lingotes, dopando el Silicio obtener los lingotes, dopando el Silicio con átomos de Boro, para luego cortar las con átomos de Boro, para luego cortar las obleas que serán utilizadas como material obleas que serán utilizadas como material tipo P en las celdastipo P en las celdas


Película antirreflectantePelícula antirreflectante Consiste en una tratamiento o Consiste en una tratamiento o

texturizado que se le da al Silicio texturizado que se le da al Silicio para disminuir el índice de reflexiónpara disminuir el índice de reflexión

Estructura piramidal, que aumenta Estructura piramidal, que aumenta la absorción de la luz incidente, la absorción de la luz incidente, gracias a reflexión múltiple de éstagracias a reflexión múltiple de ésta


ContactosContactos Superior : Debe construirse Superior : Debe construirse

con unidades lo bastante con unidades lo bastante gruesas, para transportar la gruesas, para transportar la corriente eléctrica y lo corriente eléctrica y lo bastante finas, para no bastante finas, para no obstaculizar el paso de la luz obstaculizar el paso de la luz solarsolar

Inferior : Inferior : material conductor material conductor simple (aluminio)simple (aluminio)


Celdas de Arseniuro de Galio (GaAs)Celdas de Arseniuro de Galio (GaAs) Eficiencias mayores a las de Silicio. Eficiencias mayores a las de Silicio.

Algunos fabricantes, como Algunos fabricantes, como Spectrolab, han construido celdas Spectrolab, han construido celdas con multijunturas, superponiendo con multijunturas, superponiendo junturas específicas para un junturas específicas para un determinado espectro de la luz solar determinado espectro de la luz solar y así aprovechar totalmente el y así aprovechar totalmente el espectroespectro

Fabricación de módulosFabricación de módulos Fragilidad Fragilidad Condiciones atmosféricas Condiciones atmosféricas Deben ser empaquetadas en un móduloDeben ser empaquetadas en un móduloo Los módulos se utilizan para cargar bateríasLos módulos se utilizan para cargar bateríaso Son fabricados para entregar un voltaje Son fabricados para entregar un voltaje

nominal de 12Vdc. nominal de 12Vdc. o Este voltaje se alcanza conectado 36 celdas en Este voltaje se alcanza conectado 36 celdas en

serie.serie.

Fabricación de módulosFabricación de módulos

1)1) La celda es colocada La celda es colocada en un encapsulante en un encapsulante (EVA)(EVA)

2)2) Parte superior: Parte superior: vidrio templadovidrio templado

3)3) Parte inferior: Parte inferior: substrato a base de substrato a base de resina resina

4)4) El modulo se trata a El modulo se trata a temperaturas de temperaturas de 175ºC y presión 175ºC y presión uniforme.uniforme.

5)5) Se sella y se ajusta a Se sella y se ajusta a un marco de un marco de aluminio ionizado.aluminio ionizado.

Fabricación de módulos. Fabricación de módulos. CaracterizaciónCaracterización

N celdas en serie o N celdas en serie o en paralelo, la en paralelo, la potencia total de potencia total de salida es salida es

WP = N · (IP · VP)WP = N · (IP · VP) IP = corriente IP = corriente

peak de la celda peak de la celda VP = voltaje peak VP = voltaje peak

de la celdade la celda

CaracterísticaCaracterística SilicioSilicio Ip [mA/cm ]Ip [mA/cm ] 2828

VP VP [V][V] 0,50,5WP [mW/cm ]WP [mW/cm ] 1414

VOC VOC [V][V] 0,60,6

Fabricación de módulos. Fabricación de módulos. Factores que afectan al Factores que afectan al

rendimientorendimiento Radiación solar :Radiación solar : bajos niveles / altos bajos niveles / altos

niveles de voltaje de salidaniveles de voltaje de salida Concentrador estático :Concentrador estático : Encapsulado que Encapsulado que

aumenta el rendimiento.aumenta el rendimiento. Temperatura de operación :Temperatura de operación : Un aumento Un aumento

de esta hace que la corriente aumente pero de esta hace que la corriente aumente pero el voltaje disminuya el voltaje disminuya

Sombra :Sombra : Disipa la energía Disipa la energía Una celda sombreada afecta al módulo Una celda sombreada afecta al módulo

completo.completo. Solución : diodos “bypass”Solución : diodos “bypass”

Fabricación de módulos. Fabricación de módulos. Concentradores estáticosConcentradores estáticos

Prismático simple SPC (Simple Prismático simple SPC (Simple Prism Concentrador)Prism Concentrador) Ganancia = 1,75.Ganancia = 1,75.

Célula solar bifacial verticalCélula solar bifacial vertical Ganancia = 3,5Ganancia = 3,5 Poca utilidad prácticaPoca utilidad práctica

Célula solar bifacial horizontalCélula solar bifacial horizontal Ganancia = 3,8Ganancia = 3,8

Concentrador Estático de Concentrador Estático de Material Transparente Material Transparente ReflexivoReflexivo Ganancia = 15% Ganancia = 15%

Silicio negroSilicio negro Entre 100 y 500 veces más sensible a la luz del Entre 100 y 500 veces más sensible a la luz del

sol.sol. Obtención: haciendo brillar brevemente un láser Obtención: haciendo brillar brevemente un láser

sobre una lámina de silicio a la que han agregado sobre una lámina de silicio a la que han agregado hexafluoruro de azufre.hexafluoruro de azufre.

Paneles solares de gran eficiencia.Paneles solares de gran eficiencia.

Óxido de TitanioÓxido de Titanio

Técnica que no emplea el silicio purificado sino Técnica que no emplea el silicio purificado sino que esta basada en nanoestructuras de óxido que esta basada en nanoestructuras de óxido de titanio.de titanio.

Al ser nanoestructuras son introducidas en Al ser nanoestructuras son introducidas en sprays.sprays.

Buena respuesta ante intensidades lumínicas Buena respuesta ante intensidades lumínicas variables y una tasa de conversión de energía variables y una tasa de conversión de energía lumínica en electricidad estimada en el 11%.lumínica en electricidad estimada en el 11%.

Transforma amplias superficies de acero en Transforma amplias superficies de acero en superficies captadoras de energía solar, lo que superficies captadoras de energía solar, lo que abaratara en gran medida el coste por KW.abaratara en gran medida el coste por KW.

FINFIN

placas solares jose maría conesa alonso alicia garcía moreno lorena lim arriola miguel marín...

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