Materiales Semiconductores

Las células fotovoltaicas formadas por silicio, un material semiconductor.

Conductores

Permiten la circulación de corriente eléctrica.

Aislantes

No permiten la circulación de corriente eléctrica.

Semiconductores

En ciertas condiciones son conductores y en otras no conductores.

Materiales Semiconductores

Núcleo: protones, neutrones. Corteza: electrones colocados en capas y cada capa acepta un número de electrones y van del interior al exterior.

La última capa (electrones de valencia) si hay pocos, se desligan fácilmente y se desplazan por el elemento, elementos libres circulan por corriente eléctrica. Si hay muchos los electrones estarán fuertemente vinculados al átomo y no lo abandonarán, no circula corriente. Tanto el silicio como el germanio tienen 4 electrones en su última capa, en la última capa se juntan 4 electrones y 4 átomos de silicio y eso se llama enlaces covalentes, eso da lugar a una estructura cristalina en la que los átomos quedan perfectamente ordenados.

Silicio Intrínseco

La estructura es estable y es aislante, la iluminación y la temperatura hace que se rompa el enlace covalente, el elemento que deja libre es una carga positiva. Los electrones dentro del silicio se generan y se recombinan aleatoriamente.

Para que se genere una diferencia de potencial aprovechable se debe localizar un exceso de carga positiva en una zona del semiconductor y carga negativa en otra zona del semiconductor, es necesario introducir el concepto de semiconductores dopados tipo n y p.

Silicio Tipo N

Dopar: consiste en añadir impurezas al cristal del silicio, 5 electrones en la última (fósforo).

Silicio Tipo P

3 electrones en la última (boro).

Unión P-N

La célula fotovoltaica se forma uniendo una capa de silicio tipo n y otra de tipo p, los electrones de la zona n próximos a la unión a la que se desplazan y se recombinan con los huecos de la zona p, zona con carga neta (zona de transición) electrones de la zona n son repelidos por la carga de la zona p y viceversa.

Efecto Fotovoltaico

La irradiación solar incide sobre la zona n y genera pares electrón-hueco. Ahora son atraídos hacia la zona p por lo que se concentra carga a ambos lados de unión.

Comportamiento Electrónico de una Célula Solar

Iluminamos la célula solar a una determinada irradiancia y la mantenemos a una temperatura constante, conectamos una resistencia variable y medimos con el voltímetro y un amperímetro la tensión y la corriente suministrada en la célula. Cada medida v, i corresponde a un punto de la gráfica v eje x e i eje y. Esta curva representa el conjunto de valores posibles de tensión e intensidad de la célula para esa irradiancia y esa temperatura, el producto de los valores i corresponde a la potencia que está suministrando a la célula en cada instante.

Análisis

• Si la célula no suministra corriente es circuito abierto, la tensión máxima se llama tensión de circuito abierto vco.
• Al comenzar a suministrar corriente la tensión de la célula va disminuyendo.
• Cuando ya no puede suministrar más corriente la tensión cae.
• Si la célula tiene una resistencia de valor cero entre sus terminales se llama corriente de cortocircuito, isc.

Análisis

• La potencia es cero en cortocircuito y circuito abierto.
• Si la célula suministra corriente la potencia sube (circuito abierto).
• Cuando llega al máximo de potencia si se le pide más disminuye (potencia máxima) y tiene lugar a vmpp (tensión en el punto de máxima potencia).
• Trazando la vertical en el punto que corta en la línea azul se llama impp (corriente en el punto de máxima potencia).

Variación de las Curvas con la Irradiancia

Varían en función de la temperatura y la irradiancia. Isc el proporcional a la irradiancia. Voc permanece constante.

Variación de las Curvas con la Temperatura

Isc es constante y Voc aumenta conforme la temperatura disminuye.

Condiciones Estándar de Medida

Si ambos me dan el parámetro de potencia máxima para comprobar una con otra ambas deberían estar medidas en la misma irradiancia, los fabricantes suministran los datos de funcionamiento medidos en determinadas condiciones iguales para todos (condiciones estándar de medida) IRRADIANCIA: 1000w/m2 TEMPERATURA DE CÉLULA: 25°C.

Condiciones Nominales de Operación (TONC)

Irradiancia 800w/m2, temperatura ambiente 20°C, Velocidad de viento 1m/s en estas condiciones la célula alcanza una temperatura denominada temperatura nominal de operación (45°C). Esta temperatura permite calcular rápidamente la temperatura de la célula en otras condiciones de irradiancia y temperatura ambiente TONC: Tamb+irrad* (tonc-20)/800.

Eficiencia de una Célula Fotovoltaica

Podemos considerar una célula fotovoltaica como un sistema que recibe potencia en forma de irradiancia solar y la transforma potencia eléctrica. El porcentaje de potencia recibida transformando en potencia eléctrica es lo que se denomina eficiencia de la célula.

Tipos de Células Fotovoltaicas

• Células de silicio moncristalino, Policristalino.
• Células de película fina.

Silicio Monocristalino

1. Extracción de la mina, purificación, fabricación de lingotes, corte en obleas, obtención de las células, fabricación de módulo solar.

Se fabrican a partir de un cristal de silicio donde los átomos están totalmente ordenados. Esquinas redondeadas, mayor eficacia 15-21%, vida útil más larga 25 años, mejor funcionamiento de los policristalinos en baja irradiancia, más caros.

Silicio Policristalino

Se funde y se vierte en moldes de cuadros, se enfría y se corta en células cuadradas. Forma cuadrada, menor eficacia 13-16%, vida útil más corta que los monocristalinos, menor resistencia al calor, más baratos se aprovecha más el silicio en fabricación.

Paneles de Película Fina

Varias capas de material fotovoltaico sobre una base. Puede ser silicio amorfo, telururo de cadmio… Es flexible, menor eficacia 7-13%, se degradan más rápido que los cristalinos, mayor superficie, más baratos que los cristalinos.