Automatización de la caracterización de celdas solares

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION

AUTOMATIZACION DE LA

CARACTERIZACION DE CELDAS SOLARES

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN INGENIERIA ELECTRICA OPCION CONTROL

P R E S E N T A

EDGARD MORENO GARCÍA

R

ESUMEN

El trabajo que se presenta consiste fundamentalmente en utilizar una Computadora Personal (PC), para mejorar y facilitar la aplicación experimental de cuatro técnicas de caracterización de dispositivos fotovoltaicos. En particular, el sistema desarrollado se utiliza para caracterizar las celdas solares que fabrican los investigadores del grupo de estado sólido, de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional (ESFM-IPN), en sus procesos de investigación. Las técnicas desarrolladas implican controlar, medir y calcular determinadas variables para cada característica en particular. Este grupo de investigación aplica cuatro técnicas a sus muestras bajo estudio, para obtener las siguientes características: Respuesta Espectral, Eficiencia Cuántica Espectral, Característica V-I, y

Característica V-C.

Las técnicas aplicadas se realizaban punto a punto, es decir, se aplicaba una cierta variable a la muestra bajo estudio y se media otra, registrando en forma manual los valores para cada punto. Esta información se procesaba aisladamente, y en algunos casos se utilizaba una Computadora Personal, introduciendo por su teclado los datos experimentales registrados. Como se puede apreciar, para una gran cantidad de puntos, este procedimiento es tedioso y requiere de mucho tiempo para que los investigadores obtengan resultados confiables que puedan ser interpretados adecuadamente. En apoyo al grupo de investigación en estado sólido de la ESFM-IPN se propuso utilizar una PC, asociada a los sistemas electrónicos, interfases y programas necesarios, para eliminar la aplicación manual de las técnicas que tradicionalmente realizaban los investigadores. El sistema de caracterización desarrollado debería permitir a los investigadores usuarios interpretar y evaluar más fácilmente y en menor tiempo las características de las muestras que ellos fabrican experimentalmente.

Para alcanzar el objetivo descrito, se diseñaron sistemas electrónicos, prototipos, interfases, y programas en el lenguaje gráfico G de LabVIEW® (versión 5.0.1). Las cuatro técnicas desarrolladas en este trabajo utilizan una PC para obtener las características que se describen a continuación

• Respuesta Espectral. Se hace incidir una luz monocromática sobre la muestra, y se mide el voltaje a circuito abierto Voc que ella genera. Este voltaje es proporcional a la intensidad luminosa detectada por la muestra. Para producir la luz monocromática se utiliza un monocromador (capítulo 3). Se debe obtener un barrido de la longitud de onda (λ) incidente sobre la muestra, midiendo en cada punto el voltaje Voc [4,5,6].

Se Desarrollo:

٭ Un programa para generar un barrido de lamda (λ) controlando la posición del sistema mecánico del monocromador, en cada punto se mide el voltaje Voc proporcional a la intensidad.

٭ Circuitos de Potencia para mover dos motores de pasos, accionados por el puerto paralelo estándar de la PC, de tal manera que se controla al sistema mecánico del monocromador.

٭ El voltaje Voc se mide con un amplificador tipo lock-in (Stanford Research Systems Inc., modelo SR720), por medio de una interfase GPTB

٭ Los resultados se presentan en una gráfica de λ vs Voc que puede ser analizada detalladamente, y en un archivo que puede ser analizado posteriormente con el mismo programa principal.

• Eficiencia Cuántica Espectral. Se hace incidir una luz monocromática en una celda patrón y en la celda de muestra bajo estudio, y se mide la corriente que circula en corto circuito (Isc) por ambas celdas. Para producir la luz monocromática se utiliza un monocromador (capítulo 3). A partir de las corrientes medidas, de las áreas de detección de las celdas, y de la longitud de onda (λ) incidente en las celdas, se debe calcular la Eficiencia Cuántica Espectral y obtener un barrido de λ vs ECE [4,5,6].

Se Desarrollo:

٭ Un programa para generar un barrido de lamda (λ) controlando la posición del sistema mecánico del monocromador, en cada punto se mide la corriente Isc fotogenerada por la celda patrón y por la muestra.

٭ Circuitos de Potencia para mover dos motores de pasos, accionados por el puerto paralelo estándar de la PC, de tal manera que se controla al sistema mecánico del monocromador.

٭ Las corrientes Isc se miden con un múltímetro (Radio Shack, modelo 38-range) con interfase tipo serie RS232.

٭ Los resultados se presentan en una gráfica de λ vs ECE, y en una tabla con los valores medidos y calculados, tales como la energía, la potencia, y el flujo de fotones de la celda patrón. La información de la tabla puede ser almacenada en un archivo.

• Característica V/I. Se aplica un voltaje V conocido a la muestra bajo estudio y se mide la corriente que circula por ella. Se debe generar un barrido del voltaje aplicado, midiendo en cada punto la corriente, para obtener la característica V vs I [4,5,6].

Se Desarrollo:

٭ Un programa para generar un barrido de V y en cada punto se mide la corriente I que circula por la muestra.

٭ Un prototipo con conversiones D/A para aplicar voltajes a la muestra, y A/D para medir sus corrientes. El prototipo puede operan en modo local (autónomo de la PC) ó remoto (bajo el control del programa en la PC).

٭ Una tarjeta de 3 puertos paralelo desarrollada en base al circuito integrado 8255, para establecer la comunicación con la PC.

٭ Los resultados se presentan en una gráfica V vs I, con la posibilidad de almacenarlos en un archivo.

• Característica V/C. Se aplica un voltaje V conocido a la muestra bajo estudio y se mide su capacitancia, así como sus valores resistivos asociados. Se debe generar un barrido del voltaje aplicado, midiendo en cada punto los valores de C y R, se realizan cálculos para obtener una gráfica de V vs 1/C2. A partir de ésta gráfica se determina el potencial de contacto Vc y la densidad de los portadores Na [4,5,6].

Se Desarrollo:

٭ Un programa para generar un barrido de V aplicado a la muestra y en cada punto se mide la capacitancia C y sus resistencias serie y paralelo.

٭ Una tarjeta de conversión D/A, controlada por el puerto paralelo estándar de la PC, para aplicar voltajes a la muestra.

٭ La capacitancia y sus valores resistivos asociados se miden con un medidor LCR fabricado por Stanford Research Systems, modelo 720 con interfase tipo GPIB

٭ Los resultados se presentarn en una gráfica de V vs1/C2, y en una tabla con los valores medidos y calculados. La información de la tabla puede ser almacenada en un archivo para su posterior análisis.

Como producto del trabajo se presenta un sistema completo para caracterizar elementos fotovoltaicos por medio de una PC. En particular, el sistema desarrollado se aplica para caracterizar las celdas solares, que fabrica experimentalmente el grupo de estado sólido de la ESFM-IPN. El sistema de caracterización desarrollado permite obtener resultados más confiables y en menor tiempo, presentándolos en forma completa y de fácil interpretación, como gráficas y tablas. Con el trabajo desarrollado ahora es posible evaluar y analizar fácilmente las muestras fabricadas.

A

BSTRACT

To improve and to facilitate the experimental application, of four characterization techniques on photovoltaic devices, by means of a personal Computer (PC), is presented in this work. In particular, the developed system is used to characterize the solar cells, which are made by the solid state researchers, of the Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional (ESFM-IPN. The developed techniques imply to control, to measure and to calculate certain variables for each specific characteristic. This research group applies four techniques to its samples under study to obtain the following characteristics: Spectral

Response, Spectral Quantum Eficiency , V-I Characteristic, and V-C Characteristic.

The applied techniques were carried out point by point, a certain variable was applied to the sample under study and the other variable was measured, collecting the values for each point. Then, this information was processed alone, in some cases a Personal Computer was used, introducing the experimental data by its keyboard. For a great quantity of points, this procedure is tedious and it requires of a lot of time so that the researchers obtain reliable results that can be interpreted appropriately. In support to the research group in solid state of the ESFM-IPN it was proposed to use a PC, associated to electronic systems, interfaces and programs, to eliminate the manual application of the techniques, that traditionally the researchers carried out. The developed characterization system should allow the to interpret and to evaluate more easily and faster the characteristics of the samples.

To reach the described objective, were designed electronic systems, prototypes, interfaces, and programs in the graphical language G of LabVIEW (ver 5.0.1). The four techniques developed in this work, use a PC to obtain the following characteristics.

• Spectral Response. A monochrome light is applied on the sample, and the open voltage Voc generated by the sample is measured. This voltage is proportional to the luminous intensity detected by the sample. A monochromator is used to produce the monochrome light (chapter 3). A sweeping of the wavelength on the sample should be realize, measuring the voltage Voc on each point [4,5,6].

Developed Work:

٭ A program to generate a sweeping of lamda (λ), controlling the position of the mechanical system of the monochromator, in each point the voltage Voc proportional to the intensity is measured.

٭ Power Circuits to move two stepper motors, controlled by the standard parallel port of the PC, in such a way that the mechanical system of the monochromator can be positioned.

٭ The voltage Voc is measured with a lock-in amplifier type (Stanford Research Systems Inc., model SR720), by means of a GPIB interface.

٭ The results are presented as a plot of λ and Voc which can be analyzed detailedly, and are also stored in a file which can be analyzed later by the same main program.

• Spectral Quantum Efficiency. A monochrome light is applied on a pattern cell and on the sample cell under study, and the short circuit current (Isc) is measured for both cells. A monochromator is used to produce the monochrome light (chapter 3). With the values of the measured currents, the effective detection areas of the cells, and the incident wavelengths (λ) on the cells, should be calculated the Spectral Quantum Efficiency. A sweeping of the wavelength on the sample should be realize, measuring the respective short circuit current on each point [4,5,6].

Developed Work:

٭ A program to generate a sweeping of lamda (λ), controlling the position of the mechanical system of the monochromator, in each point the photogenerated current Isc is measured on the pattern cell and on the sample cell

٭ Power Circuits to move two stepper motors, controlled by the standard parallel port of the PC, in such a way that the mechanical system of the monochromator can be positioned.

٭ The current Isc is measured with a multimeter (Radio Shack, model 38-range) by means of RS232 serial port.

٭ The results are presented as a plot of λ and ECE, and in a chart with the measured and calculated values, such as the energy, the power, and the photons flow of the pattern cell. The information of the chart can be stored in a file.

• V/I Characteristic. A known voltage V is applied to the sample under study and the current which flows trough the sample is measured. A sweeping of the applied voltage should be generated, measuring the current in each point, to obtain the V-I characteristic [4,5,6].

Developed Work::

٭ A program to generate a sweeping of V on the sample, and to measure in each point the current trough the sample,

٭ A prototype with D/A conversion to apply voltages to the sample, and A/D conversion to measure the currents trough the samples. The prototype can operate in two modes: local (autonomous of the PC) or remote (under the control of the program in the PC).

٭ A card with 3 parallel ports developed with the integrated circuit 8255, to communicate with the PC.

٭ The results are presented as a plot V vs I, and can bo stored in a file.

• V/C Characteristic. A known voltage V is applied to the sample under study and its capacitancia is measured, as well as its associate resistive values. A sweeping of the applied voltage should be generated, measuring in each point the values of C and R. The appropriate

calculations should be done to obtain a plot of V and 1/C2. From the values of the plot, the contact potential Vc is determinated, as well as the carriers density Na [4,5,6].

Developed Work:

٭ A program to generate a sweeping of V applied to the sample and to measure in each point the capacitance C and the series and parallel resistances.

٭ A card with D/A convertion, controlled by the standard parallel port of the PC, to apply voltages to the sample.

٭ The capacitance and their resistive associate values are measured with a LCR meter manufactured by Stanford Research Systems, model 720 with GPIB interface.

٭ The results are presented as a plot of V vs1/C2, and in a chart with the measured and calculated values. The information of the chart can be stored in a file for its later analysis.

As product of the work a complete system is presented to characterize photovoltaic elements by means of a PC. In particular, the developed system is applied to characterize the solar cells made experimentally by the solid state group of the ESFM-IPN. The characterization developed system allows to obtain more reliable results in shorter time, showing them in a complete form for an easy interpretation, such as plots and charts. With the work developed now it is possible to evaluate and to analyze the manufactured samples easily.

I

NDI CE

RESUMEN 1

ABSTRACT 3

INDICE 6

INDICE DE FIGURAS 8

INDICE DE TABLAS 10

SIMBOLOGÍA 10

Capítulo1. I ntroducción

1.1 Antecedentes 12

1.2 Objetivos 13

1.3 Justificación 13

1.4 Aportaciones 13

1.5 Contenido 14

Capítulo 2. Fundam entos de Celdas Solares

2.1 Unión pn 15

2.2 Celdas Solares 16

2.3 Técnicas de Carcaterización 19

2.3.1 Fotometría 20

Capítulo 3. Monocrom ador

3.1 Descripción 22

3.2 Circuitos de Potencia 23

3.3 Programa Posicionar.vi 24

3.4 Ecuación de Transferencia Pasos - Lamda 27

Capít ulo 4 . Ef i ci en ci a Cu á n t i ca esp ect r a l

4.1 Planteamiento 31

4.2 Procedimiento Experimental 33

4.3 Programa ECE.vi 33

4.4 Posiciona al Monocromador 37

4.5 Realiza un Barrido 40

4.6 Ver Archivo 47

Capít ulo 5 . Resp u e st a Esp ect r a l

5.1 Procedimiento Experimental 48

5.2 Programa RE.vi 49

5.3 Barrido 52

5.4 Autocalibración 55

5.4.1 Calibración.vi 56

5.5 Ver Archivo 59

Capítulo 6 . Caract erística V – I

6.1 Principio de Operación 60

6.2 Sistema Electrónico 62

6.2.1 Fuente Bipolar 63

6.2.2 Circuito de Lectura 64

6.2 3 Tarjeta de Puertos Paralelo (8255) 65

6.3 Programa CARVI.vi 66

6.3.1 SubVI MC14433.vi 71

6.4 Operación del Panel Frontal 73

6.5 Calibración y Error 74

Capítulo 7. Característica V - C

7.1 Planteamiento 75

7.2 Procedimiento Experimental 77

7.2.1 Fuente Programable 78

7.3 Programa CARVC.vi 79

7.3.1 Barrido 86

7.3.2 Ver Archivo

Capítulo 8. Resultados y Conclusiones

8.1 Resultados 88

8.2 Conclusiones 89

8.3 Trabajos Futuros 90

R

A

A. INTRODUCCIÓN A LABVIEW

A.1 LabVIEW y Lenguaje Gráfico G A.1

A.2 Instrumento Virtual (VI) A.2

A.3 Metodología de Diseño A.5

A.4 Planteamiento del problema A.6

A.5 Solución en LabVIEW A.7

A.6 Prototipo del Panel A.8

A.7 Alambrado del Diagrama A.10

A.8 SubVI Calcula Lamda.vi A.14

B. DIAGRAMAS DE INSTRUMENTOS UTILIZADOS COMO SUBVIS

Seleccionar Celda.vi , Lamdas.vi B.1

Localiza índice.vi, Otro punto.vi B.2

Medidor.vi, Eficiciencia Cuántica.vi B.3

Formato.vi, Separar Archivo.vi B.4

Leer Cabecera.vi, REGPIB.vi B.5

Picos Patron.vi Grabar Cabecera.vi Pol.vi B.6 LCRGPIB.vi Cálculos.vi FormatoVC.vi VcNa.vi B.7

C. DIAGRAMAS DEL PROTOTIPO CARVI

C.1 Diagrama eléctrico completo C.1

C.2 Diagrama de los circuitos de lectura C.2

C.3 Diagrama de la tarjeta de puertos paralelo C.3

I

NDI CE DE

F

I GURAS

Fig. 2.1.- La recombinación de portadores en la zona de unión produce un potencial

de umbral VT 15

Fig. 2.2.- Unión pn polarizada directamente e inversamente 16 Fig. 2.3.- Característica V-I de una unión pn en oscuro e iluminada 17

Fig. 2.4.- Modelo de una celda solar 18

Fig. 2.5.- Modelo de una celda solar con sus efectos resistivos 18

Fig. 3.1.- Diagrama esquemático del monocromador. Los 3 bloques de la parte inferior derecha representan el sistema desarrollado para seleccionar el

valor de λ de salida por medio de una PC. 22

Fig. 3.2.- Diagrama esquemático de los circuitos de potencia 24 Fig. 3.3.- Secuencias 0(0..1) y 1(0..1) para mover el motor cuando

sentido = IncLam = 0, es decir cuando λ2>λ1 26 Fig. 3.4.- Secuencias 0(0..1) y 1(0..1) para mover el motor cuando

sentido = DecLam = 1, es decir cuando λ2<λ1 26 Fig. 3.5.- Modificación al instrumento Mover el Motor.vi para manejar

a los dos monocromadores 27

Fig. 3.6.- Gráfica de tres barridos en el intervalo de 3900∆ a 5900∆, donde

el paso 0 se localiza en λ=3900 ∆ 28

Fig. 3.7.- Aspecto de los tres barridos experimentales para el pico patrón

en 4046.56∆ 29

Fig. 3.8.- Aspecto de los tres barridos experimentales para el pico patrón

en 4358.35∆ 29

Fig. 3.9.- Aspecto de los tres barridos experimentales para el pico patrón

en 5460.74∆ 30

Fig. 3.10.- Aspecto de los tres barridos experimentales para el pico patrón

en 5790.65∆ 30

Fig. 4.1.- Procedimiento experimental para obtener la Eficiencia Cuántica Espectral 33

Fig. 4.2.- Secuencia 0(0..1) de ECE.vi 34

Fig. 4.3.- Panel principal cuando se inicia la ejecuvión del Instrumento ECE.vi 35

Fig. 4.4.- Selección del monocromador 35

Fig. 4.5.- Secuencia 1(0..2) de ECE.vi 36

Fig. 4.6.- Control MODO 36

Fig. 4.7.- Menú del control MODO 36

Fig. 4.8.- Las tres opciones de trabajo de la sentencia case en la secuencia 1(0..1)

de ECE.vi 36

Fig. 4.9.- Creación de un Nodo de Atributo 38

Fig. 4.10.- Diagrama de la Secuencia 0(0..3) 38

Fig. 4.11.- Panel durante la secuencia 0(0..3) 38

Fig. 4.12.- Panel y diagrama de la secuencia 1(0..3) 39

Fig. 4.13.- Panel y diagrama de la secuencia 2(0..3) 39

Fig. 4.14.- Panel y diagrama de la secuencia 3(0..3) donde se utiliza al

subVI Posicionar.vi 40

Fig. 4.15.- Secuencia 0(0..6) de Realiza un barrido 41

Fig. 4.16.- Panel del subVI Seleccionar Celda.vi 42

Fig. 4.17.- Ventana para introducir el valor de Área 42

Fig. 4.18.- Secuencia 1(0..6) de la opción Realiza un Barrido donde se llama al

subVI Lamdas.vi, el cuál abre su panel que se muestra en la derecha 42

Fig. 4.19.- Secuencia 3 (0..6) 43

Fig. 4.20.- Diagrama del instrumento Subpatrones L y S.vi 43 Fig. 4.21.- Secuencia 4 (0..6) donde se ejecuta el subVI Otro Punto.vi 44 Fig. 4.22.- Secuencia 4 (0..6) donde se ejecuta Medidor.vi 44

Fig. 4.23.- Secuencia 5 (0..6) de Realiza un barrido 45

Fig. 4.24.- Secuencia 6 (0..6) 45

Fig. 4.25.- Panel del instrumento ECE.vi después de ejecutar la opción

Realiza un Barrido desde 400 hasta 1000Å. 46

Fig. 4.26.- Tabla de Datos sobrepuesta al panel cuando se activa el control

“Ver Tabla” 46

Fig. 4.27.- Diagrama de la opción Ver Archivo (case=2) 47

Fig. 5.1.- Procedimiento experimental para obtener la Respuesta Espectral 49

Fig. 5.2.- Secuencia 0(0..1) de RE.vi 50

Fig. 5.3.- Panel principal cuando se inicia la ejecución del Instrumento RE.vi 51

Fig. 5.4.- Secuencia 2(0..4) de la opción Barrido 53

Fig. 5.5.- Secuencia 0(0..3) dentro de la sentencia for 53

Fig. 5.6.- Secuencia 1(0..3), donde se calcúla Lamda Actual 53 Fig. 5.7.- Secuencias 2(0..3) y 3(0..3) donde se actuliza Espectro, y luego se

mueve el motor 54

Fig. 5.8.- Panel del instrumento Barrido.vi 54

Fig. 5.9.- Panel del instrumento Picos Patrón.vi 55

Fig. 5.10.- Secuencia 1(0..5) de la opción Autocalibración 56

Fig. 5.11.- Secuencia 4(0..5) de Autocalibración 56

Fig. 5.12.- Secuencia 0(0..2) de Calibración.vi 57

Fig. 5.13.- Secuencia1(0..3) dentro del for 58

Fig. 5.14.- Secuencias 2(0..3) y 3(0..3) dentro de la sentencia for 58

Fig. 5.15.- Secuencia 1(0..2) de Calibración.vi 58

Fig. 5.16.- Secuencia 2(0..2) de Calibración.vi 59

Fig. 5.17.- Diagrama de la opción Ver Archivo (case=MENU=3) 59

Fig. 6.1.- Diagrama que muestra la medición de voltaje y corriente de la muestra 61 Fig. 6.2.- Diagrama a bloques del sistema electrónico desarrollado 62

Fig. 6.3.- Fuente bipolar de voltaje 63

Fig. 6.4.- El circuito integrado 8255 65

Fig. 6.5.- Secuencias S0 y S1 del programa principal CARVI.vi 68 Fig. 6.6.- Panel frontal del instrumento virtual CARVI.vi 68 Fig. 6.7.- Secuencia S2 del programa principal CARVI.vi 68 Fig. 6.8.- Secuencia S3 donde se inicia una sentencia for por cada punto

que forma el barrido. Dentro del for se ejecutan 6 secuencias, en la

figura se muestra la primera 0(0..5) 69

Fig. 6.9.- Secuencia S1 dentro de la sentencia for 69

Fig. 6.10.- Secuencia S2 dentro de la sentencia for 70

Fig. 6.11.- Secuencia S3 dentro del for 70

Fig. 6.12.- Secuencias S4 y S5 de la sentencia for. 70

Fig. 6.13.- Ultima secuencia 4(0..4) del instrumento CARVI.vi 71

Fig. 6.14.- Secuencia S0 del instrumento 14433.vi 72

Fig. 6.15.- Secuencia S0 del instrumento 14433.vi 72

Fig. 6.16.- Secuencia S2 del instrumento 14433.vi 72

Fig. 6.17.- Controles e indicadores del panel frontal del prototipo 73

Fig. 7.1. a) Circuito equivalente de una unión p-n. b) Circuito equivalente de medición 76 Fig. 7.2.- Sistema electrónico para la caracterización V – C 77

Fig. 7.3.- Fuente unipolar de voltaje 78

Fig. 7.4.- Secuencia 0(0..1) de Barrido 79

Fig. 7.5.- Las dos opciones de trabajo de la sentencia case, para el instrumento

CARVC.vi 80

Fig. 7.6.- Panel del instrumento CARVC.vi 81

Fig. 7.7.- Panel del Instrumento Pol.vi 82

Fig. 7.8.- Secuencia 0(0..2) del instrumento CARVC.vi 83

Fig. 7.9.- Primera secuencia 0(0..6) dentro de la sentencia for 83

Fig. 7.10.- Secuencia 1(0..6) dentro de la sentencia for 84

Fig. 7.11.- Secuencia 2(0..6) y 3(0..6) dentro de la sentencia for de la opción Barrido 84

Fig. 7.12.- Secuencia 4(0..6) 84

Fig. 7.13.- Secuencia 5(0..6) dentro de la sentencia for 85

Fig. 7.14.- Secuencia 60..6) dentro de la sentencia for 85

Fig. 7.15.- Secuencia 20..2) de la opción Barrido 85

Fig. 7.16.- Panel del instrumento CARVI.vi después de ejecutar la opción Barrido 86 Fig. 7.17.- Diagrama de la opción de trabajo Ver Archivo 87 Fig. 8.1.- Sistema completo para aplicar con una PC las cuatro técnicas de

caracterización desarrolladas 89

I

NDI CE DE

T

ABLAS

Tabla 3.1.- Error en λ a partir de los valores patrón y los datos experimentales 3.10

S

I MBOLOGÍ A

VT, Vc Potencial de contacto en una unión pn V, voltaje

I, corriente

Io, corriente en sentido inverso en una unión pn Voc, voltaje a circuito abierto en una celda solar

Isc, corriente fotogenerada por una celda solar a circuito cerrado

η, eficiencia de conversión de una celda solar RL, resistencia de carga

Imp, corriente a máxima potencia en una celda solar Vmp, voltaje a máxima potencia de una celda solar FF, factor de llenado

Rs, resistencia equivalente en serie Rp, resistencia equivalente en paralelo

λ , longitud de onda

ηQ, eficiencia cuántica espectral e, q, carga del electrón

Γ flujo de fotones

IP, corriente de una celda patrón a circuito cerrado

h, constante de Planck

ω, frecuencia angular Ap, área de la celda patrón

S, factor de corrección de la celda patrón

JM, densidad de corriente en una celda de muestra AM, área efectiva de una celda de muestra

PP, potencia de la celda patrón E, energía

VDM, voltaje diferencial proporcional a la corriente a través de la muestra Rm, resistencia muestreadora de corriente

IM, corriente a través de la muestra VM, voltaje a travéd de la muestra Vf, voltaje de la fuente

VI, voltaje proporcional a la corriente VV, voltaje proporcional a voltaje VA, voltaje de entrada al amplificador D, número decimal de un código binario Cp, capacitancia equicalente en paralelo Gp, conductancia equivalente en paralelo Gpm, conductancia medida en paralelo Cpm, capacitancia medida en paralelo Cr, capacitancia real

Gr, conductancia real

β, factor de corrección de capacitancia

CAPITULO 1

I

NTRODUCCI ÓN

1.1

A

Los grupos de investigación que trabajan en el desarrollo de dispositivos de estado sólido tales como celdas solares y elementos fotovoltaicos entre otros, deben evaluar los dispositivos que ellos fabrican para determinar su eficiencia en el proceso de conversión fotovoltaica. La evaluación se realiza a partir de las propiedades fotoeléctricas y de unión de las muestras bajo estudio. Estas propiedades pueden obtenerse experimentalmente aplicando diversas técnicas de caracterización a las muestras [4,5,6]. Las técnicas implican controlar, medir y calcular determinadas variables para cada característica en particular. Dentro de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional (ESFM-IPN), el grupo de estado sólido aplica cuatro técnicas para obtener las siguientes características: Respuesta Espectral (longitud de onda vs intensidad luminosa), Eficiencia

Cuántica Espectral (longitud de onda vs ECE), Característica V-I (voltaje vs corriente),

Característica V-C, (voltaje vs capacitancia).

Estas técnicas mencionadas se realizaban punto a punto, es decir, se aplicaba una cierta variable a la muestra bajo estudio y se media otra, registrando en forma manual los valores para cada punto. Esta información se procesaba aisladamente, y en algunos casos se utilizaba una Computadora Personal (PC), introduciendo por su teclado los datos experimentales registrados.. Como se puede apreciar, para una gran cantidad de puntos, este procedimiento es tedioso y requiere de mucho tiempo para que los investigadores obtengan resultados confiables que puedan ser interpretados adecuadamente.

En apoyo al grupo de investigación en estado sólido de la ESFM-IPN se propuso utilizar una PC, asociada a los circuitos electrónicos, interfases y programas necesarios, para eliminar la aplicación manual de las técnicas que tradicionalmente realizaban los investigadores. El sistema de caracterización desarrollado debería permitir a los investigadores usuarios interpretar y evaluar más fácilmente y en menor tiempo las características de las muestras que ellos fabrican experimentalmente.

En el mercado especializado existen equipos e instrumentos electrónicos para obtener una ó más de las 4 características mencionadas. Los más modernos equipos son fabricados por firmas comerciales tales como Oriel Instruments Corp., Stanford Rersearch Systems Inc., Hewlett-Packard, Keithley Instruments Inc, Texas Instruments Inc., entre otros, cuyos precios oscilan entre 35,000 y 100,000 U.S.dólares dependiendo de su aplicación específica. El funcionamiento de muchos de estos equipos se basa en el uso de microprocesadores ó de una PC de propósito específico. En general, los programas proporcionados por el fabricante de estos equipos son solamente ejecutables y difícilmente pueden ser modificados por el usuario, lo que limita su flexibilidad y aumenta considerablemente sus precios.

1.2

O

El objetivo que se planteo al inicio del trabajo fue desarrollar un sistema completo, con circuitos electrónicos, interfases y programas, asociados a una PC; con la finalidad de mejorar y facilitar la obtención experimental de las cuatro características descritas. El sistema a desarrollar debe presentar resultados en forma de gráficas, tablas y archivos, de tal manera que las muestras a caracterizar puedan ser fácilmente evaluadas.

1.3

J

La relevancia del trabajo que se presenta, consiste en crear la infraestructura tecnológica que mejore y facilite el trabajo de los investigadores usuarios en sus procesos experimentales. Dentro del IPN, el autoequipamiento tiene una importancia fundamental en sus programas institucionales, con el trabajo que se presenta se disminuyen costos en equipamiento, y se contribuye al desarrollo tecnológico que la institución en particular requiere. También se fundamentan las bases para que el trabajo desarrollado pueda aplicarse en procesos similares en nuestro pais, en relación a este tipo de problemas.

1.4

A

Como producto del trabajo se presenta un sistema completo para caracterizar elementos fotovoltaicos por medio de una PC. En particular, el sistema desarrollado se ha aplicado para caracterizar celdas solares, que fabrica experimentalmente el grupo de estado sólido de la ESFM-IPN, dentro de sus procesos de investigación. Los principales resultados obtenidos, en términos de circuitos y programas son los siguientes.

Electrónica

● Un sistema electrónico de potencia para mover dos motores de pasos asociados a dos monocromadores, por medio del puerto paralelo estándar de la PC.

● Un prototipo para determinar la característica V-I, el cuál puede operar en modo local, o bien, en modo remoto bajo el control de un programa ejecutado en la PC. El prototipo aplica un voltaje a la muestra con una resolución de 12.8 mV por punto y realiza mediciones de voltaje y corriente con una exactitud de hasta 0.08%. Las resoluciones de lectura son de 1 mV y 0.1 :A.. El prototipo que se presenta es confiable, de bajo costo y fácilmente reproducible

● Una tarjeta de 3 puertos paralelo programables, basada en el Circuito Integrado 8255, para establecer la comunicación con el prototipo mencionado y la PC.

● Una fuente programable por medio del puerto paralelo estándar de la PC, para aplicar un voltaje de polarización a la muestra bajo estudio..

Programas

Se desarrollaron programas completos y de fácil uso para obtener:

● La Respuesta Espectral de las muestras bajo estudio, que permite realizar las siguientes acciones:

Posicionarel sistema óptico del monocromador de tal manera que su señal luminosa de salida se encuentre en una longitud de onda λ deseada.

Para hacer un Barrido completo en un intervalo de la longitud de onda, en cada valor de λ se mide el voltaje proporcional a la intensidad luminosa detectada por la

muestra. La medición se realiza con un amplificador lock-in por medio de una interfase tipo GPIB. La información se presenta en forma gráfica y si se desea se puede almacenar en un archivo.

Determinar experimentalmente la línea recta de Calibración que relaciona el valor de

λ real a la salida del monocromador, con el número de pasos ejecutados por el motor. La ecuación de calibración se guarda en un archivo para mantenerla actualizada para su posterior uso.

Ver un Archivo previamente almacenado y graficarlo.

● La Eficiencia Cuántica Espectral de las muestras bajo estudio. El programa realiza las mismas funciones descritas en el parrafo anterior, excepto la de Calibración. Se miden corrientes a circuito cerrado por medio de un microamperímetro con interfase serie RS-232. Los resultados se presentan en dos gráficas y en una tabla, además de guardar la información en un archivo para su posterior análisis.

● La Característica V-I de las muestras bajo estudio. El resultado se presenta en forma gráfica y lo puede almacenar en un archivo para su posterior uso.

● La Característica V-C de las muestras bajo estudio. Los resultados los presenta en forma gráfica, en tablas y los puede almacenar en un archivo para su posterior uso.

1.5

C

En éste primer capítulo se dan los antecedentes, el objetivo, la justificación, y las aportaciones del trabajo que se presenta. En el capítulo 2 se revisa el funcionamiento general de la unión semiconductora pn, y se estudian las principales propiedades de celdas solares en oscuro y en condiciones de iluminación. También se describen en general las cuatro técnicas de caracterización experimentales desarrolladas, y se mencionan algunos conceptos de fotometría. En el capítulo 3 se da una propuesta de solución (circuitos electrónicos y programas) para controlar la operación de dos monocromadores por medio de una PC. El monocromador es un sistema opto-mecánico que se utiliza como una herramienta fundamental en los procesos de fotometría.

En los capítulos 4, 5, 6 y 7 se describen los procedimientos experimentales y los programas desarrollados, para obtener cada una de las cuatro técnicas de caracterización. Estos capítulos inician con un breve resumen de su contenido, luego se establece, en su caso, el planteamiento teórico de la característica que se estudia y se describe el procedimiento experimental utilizado, finalmente se analizan las partes más importantes de los programas desarrollados en el lenguaje de programación gráfico G de LabVIEW.

El capítulo 8 contiene las conclusiones del trabajo, donde se presentan los resultados obtenidos y se mencionan las propuestas para trabajos futuros. En el apéndice A se presenta una breve introducción al ambiente de programación de LabVIEW, versión 5.0.1, y se describe en general el diseño de instrumentos virtuales (programas en lenguaje gráfico G). En el apéndice B muestran los diagramas de los instrumentos desarrollados, que se utilizan en los capítulos 4, 5, y 7. En el apéndice C se presentan los diagramas electrónicos completos que forman el prototipo desarrollado en el capítulo 6 para obtener la característica V-I de las muestras bajo estudio.

CAPITULO 2

F

UNDAMENTOS DE

C

ELDAS

S

OLARES

En este capítulo se presenta una breve revisión del funcionamiento general de una unión semiconductora pn. Se estudian las principales propiedades de los dispositivos fotovoltaicos, en particular se analiza el comportamiento de celdas solares. También se mencionan las técnicas de caracterización experimentales, que se deben aplicar a las muestras bajo estudio para su evaluación. En particular se describen las técnicas desarrolladas en éste trabajo para obtener las siguientes características: Respuesta Espectral, Eficiencia Cuántica Espectral, Característica V-I, y Característica V-C. El capítulo termina con algunos conceptos importantes en el campo de la fotometría.

2.1

U

La unión pn es la frontera metalúrgica que separa a una región tipo p de otra tipo n en un dispositivo semiconductor. La unión se puede formar en un monocristal mediante la difusión de impurezas, ó bien, en una película delgada mediante la deposición de un material tipo n sobre otro tipo p. El material tipo n de un semiconductor está contaminado con impurezas donadoras, produciendo un incremento de electrones en la banda de conducción. Aquellos materiales contaminados con impurezas aceptoras tienen un incremento de huecos en su banda de valencia, y forman el material tipo p. Al formar la unión, los portadores de carga mayoritarios de ambos tipos se difunden en la zona de unión. Los electrones viajan del material n al p, y los huecos lo hacen en dirección opuesta, tal y como se ilustra en la figura 2.1. Los electrones perdidos por el material n en el proceso de recombinación, producen que el material n se cargue positivamente en la zona de unión, y al perder huecos el material p se carga negativamente. Así entonces en la unión se genera un potencial de contacto ó de umbral VT, mostrado en la figura 2.1, el cual depende básicamente de los elementos utilizados como impurezas [1, 2, 3].

n p

Hueco (+) Electrón (-)

n p

VT

-+

Unión

Fig. 2.1.- La recombinación de portadores en la zona de unión produce un potencial de umbral VT

Veamos ahora que sucede cuando se aplica un voltaje externo a la unión pn. Si el voltaje aplicado V se opone a la voltaje de la unión VT, y además se cumple que V>VT, la energía aplicada es tal que los portadores mayoritarios rompen la barrera y viajan a través de ella. El desplazamiento de los portadores produce una corriente I en sentido directo, la cual depende

del potencial aplicado, tal y como se muestra en la figura 2.2. Al romperse la barrera, los portadores de carga minoritarios cercanos a ella, se recombinan generando una pequeña corriente Io en sentido inverso. En estas condiciones se dice que la unión esta polarizada directamente.

Si el voltaje aplicado V tiene la misma polaridad que el voltaje de la unión VT y además V>VT, los electrones libres del material n son atraídos por la terminal positiva de V, y los huecos por la terminal negativa. En estas condiciones el ancho de la barrera se incrementa impidiendo que los portadores mayoritarios la puedan atravesar, tal y como se ilustra en al figura 2.2. La recombinación de los portadores minoritarios en la unión es la misma que en el caso anterior, produciendo una corriente inversa Io. En estas condiciones se dice que la unión esta polarizada inversamente.

n p

VT

-+

V

+

-Io

I=0

n p

VT

-+

V

+

-Io

I

Fig. 2.2.- Unión pn polarizada directamente e inversamente

Dado el comportamiento un poco aleatorio de las cargas en la unión fue necesario el uso de la estadística, y en base a un estudio de Boltzman sobre la distribución de cargas, se pudo llegar a la siguiente ecuación que describe el comportamiento de la unión pn [1,2,3]:

I = Io (exp(V/VT) – 1) (2.1)

El voltaje de contacto ó de umbral esta dado por:

q T k m

VT = (2.2)

Donde m es un factor de calidad que depende de los semiconductores de la unión, k es la constante de Boltzman (1.38x10-23 J/ºK), T es la temperatura en ºK y q es la carga del electrón. Para pequeños valores de V se tiene que: exp(V/VT)>>1 y entonces I ≈ Io

exp(V/VT). Para valores negativos de V se tiene que exp(V/VT)<<1 y entonces: I ≈ -Io. La

corriente inversa de saturación Io es una función de los materiales, de la geometría del dispositivo, y de la temperatura. La ecuación 2.1 representa el modelo matemático de la unión y describe su comportamiento eléctrico durante el régimen de difusión.

2.2

C

S

Una celda solar (CS) es un sensor fotovoltaico capaz de transformar la energía radiante de la luz solar en energía eléctrica. Su funcionamiento se basa en el efecto fotovoltaico y su

principal característica es la eficiencia de conversión de energía solar a eléctrica. Las celdas solares más comunes son esencialmente diodos de unión pn con áreas muy grandes, donde existe un fuerte campo eléctrico interno a través de la unión, aún en la ausencia de radiación. La radiación incidente en la unión produce pares libres de huecos-electrones en ambos lados de la unión debido a la absorción de fotones [4, 5, 6]. Los pares electrón-hueco son separados por el potencial de contacto, de tal manera que los electrones en el lado p de la unión se mueven hacia el lado n y los huecos del lado n se mueven hacia el lado p. Si la unión se mantiene a circuito abierto, la acumulación de electrones y huecos en ambos lados de la unión produce un voltaje a circuito abierto Voc. Si la unión se encuentra en circuito cerrado entonces fluye una corriente fotogenerada Isc. Estas dos variables dependen de la cantidad de fotones absorbidos por la unión y esta, a su vez, depende de la longitud de onda

λ que contiene la radiación incidente.

La característica V-I de la unión en oscuro es similar a la de un diodo estándar. Con incidencia de luz en la unión se produce una fotocorriente IL, con el mismo sentido de la corriente inversa de saturación Io, tal y como se muestra en la figura 2.3. Así entonces la corriente en el diodo sujeto a iluminación esta dada por:

I = -IL + Io (exp(V/VT) – 1) (2.3)

Donde IL es la corriente fotogenerada por la incidencia de luz, y el segundo término del lado derecho es la corriente de la unión en oscuro, con VT dado por la ecuación 2.2.

IL I

Io

V Unión en Oscuro

Unión Iluminada

(Voc)

(Isc)

Fig. 2.3.- Característica V-I de una unión pn en oscuro e iluminada

En la figura 2.3 se observa que la corriente de la característica V-I del diodo iluminado produce una región de operación de donde puede extraerse potencia eléctrica del dispositivo. Cuando el voltaje aplicado a una CS es cero (V=0, circuito cerrado), de la ecuación 2.3 se tiene que: I = -IL =Isc. El voltaje a circuito abierto se produce cuando I=0, así

de la ecuación 2.3 se obtiene:

) 1 Io I ( ln V

Voc = T L + (2.4)

El modelo ó circuito equivalente de una celda solar que satisface la ecuación 2.3 se muestra en la figura 2.4, donde se tiene una fuente de corriente dependiente de la potencia radiante que incide sobre la unión. La potencia suministrada a la carga esta dada por:

IL

I +

RL V

P = V x I = - VIL + VIo(exp(V/VT) – 1) (2.5) Fig. 2.4.- Modelo de una celda solar

a principal característica de una CS está dada por su eficiencia de conversión, la cual es L

una indicación de la cantidad de energía solar que la celda es capaz de convertir a energía eléctrica. Para obtener la eficiencia de conversión se deben considerar el voltaje y la corriente, correspondientes a la máxima potencia que la celda puede proporcionar a la carga. La eficiencia de conversión de la CS esta definida por la relación de la máxima potencia con la potencia de radiación incidente Pin sobre la unión, esto es:

100% x Pin

Vmp Imp

η= (2.6)

ara optimizar la eficiencia de la CS, se deben tener los valor más grandes posibles de Imp y P

Vmp. La corriente y el voltaje máximos que pueden obtenerse en una celda solar son Isc y Voc respectivamente. El factor de llenado (Fill Factor) es una cantidad de utilidad práctica, pues representa una medida de la potencia utilizable que puede obtenerse de una CS. El valor típico del factor de llenado es de 0.7 a 0.8 para una CS de buena calidad. El factor de llenado se define como:

Voc x Isc

Vmp Imp

FF = x (2.7)

n factor de gran importancia que puede

as CSs pueden ser de tres tipos [4,5,6]:

o un solo material dopado para producir los lados p

Heterounión mbas. La

Barrera Schott lgadas metálicas, que pueden ser transparentes

a la radiación visible, depositadas sobre un semiconductor. U

afectar considerablemente el funcionamiento de una CS es su resistencia eléctrica. La resistencia en serie, que es la suma de la resistencia de contactos más la resistencia superficial, modifica las características corriente-voltaje de la CS, aumenta la disipación de la potencia interna y disminuye el Factor de llenado. El efecto de la resistencia en

paralelo puede ser despreciable. La figura 2.5 sus efectos resistivos

IL

I +

V RS

Rp

Fig. 2.5.- Modelo de una celda solar con

muestra el circuito equivalente de una CS que incluye los efectos resistivos.

L

Homounión. Están constituidas por un sol

y n de la celda; a este tipo corresponden las CS de Si monocristalino. . Consisten de capas de materiales diferentes con una interfase entre a

presencia de la interfase trae como consecuencia una serie de problemas, como el desajuste entre las constantes de la red, diferencia entre las afinidades electrónicas, etc.

ky. Consisten de películas de

El principio de funcionamiento es el mismo para todas, por lo que las ecuaciones que ción de estos dispositivos son similares a las descritas.

describen la opera

.3

T

C

or grupos de investigación, deben ser valuadas para determinar su eficiencia en el proceso de conversión fotovoltaica. La

ocromática sobre la muestra, y se mide l voltaje a circuito abierto Voc que ella genera. Este voltaje es proporcional a la intensidad

2

Las celdas solares fabricadas en forma experimental p e

evaluación se realiza a partir de las propiedades fotoeléctricas y de unión de las muestras bajo estudio. Estas propiedades pueden obtenerse experimentalmente aplicando diversas técnicas de caracterización, para encontrar [4,5,6]: Respuesta Espectral, Eficiencia Cuántica Espectral, Longitud de Difusión de portadores minoritarios, Característica V-C, Característica V-I, y Factor de llenado. En este trabajo se desarrollan cuatro técnicas solicitadas por el grupo de estado sólido de la ESFM. Las técnicas propuestas utilizan una PC para obtener las características que se describen a continuación:

• Respuesta Espectral. Se hace incidir una luz mon e

luminosa detectada por la muestra. Para producir la luz monocromática se utiliza un monocromador (ver capítulo 3). Se debe obtener un barrido de la longitud de onda (λ) incidente sobre la muestra, midiendo en cada punto el voltaje Voc [4,5,6].

Propuesta de Solución:

٭ Por medio de un programa se debe generar un barrido de lamda (λ) controlando la tema mecánico del monocromador, y en cada punto se debe medir

٭

e la PC.

• Eficien hace incidir una luz monocromática en una celda

atrón y en la celda de muestra bajo estudio, y se mide la corriente que circula en corto posición del sis

el voltaje Voc proporcional a la intensidad.

Para controlar al sistema mecánico del monocromador, se utiliza un motor de pasos accionado por el puerto paralelo estándar d

٭ El voltaje Voc se mide con un amplificador tipo lock-in (Stanford Research Systems Inc., modelo SR720) con interfase tipo GPIB.

٭ Los resultados se deben presentar en una gráfica de λ vs Voc, con la posibilidad de almacenarlos en un archivo.

cia Cuántica Espectral. Se p

circuito (Isc) por ambas celdas. Para producir la luz monocromática se utiliza un monocromador (ver capítulo 3). A partir de las corrientes medidas, de las áreas de detección de las celdas, y de la longitud de onda (λ) incidente en las celdas, se debe calcular la Eficiencia Cuántica Espectral y obtener un barrido de λ vs ECE [4,5,6].

Propuesta de Solución:

٭ Por medio de un programa se debe generar un barrido de lamda (λ) controlando la tema mecánico del monocromador, y en cada punto se debe medir

٭

lados, tales como la energía, la potencia, y el flujo de posición del sis

la corriente Isc fotogenerada por la celda patrón ó por la muestra.

Para controlar al sistema mecánico del monocromador, se utiliza un motor de pasos accionado por el puerto paralelo estándar de la PC.

٭ Las corrientes Isc se miden con un múltímetro (Radio Shack, modelo 38-range) con interfase tipo serie RS232.

٭ Los resultados se deben presentar en una gráfica de λ vs ECE, y en una tabla con los valores medidos y calcu

fotones de la celda patrón. La información de la tabla debe tener la posibilidad de ser almacenada en un archivo.

erística V/I. Se aplica un voltaje

• Caract V conocido a la muestra bajo estudio y se mide la

orriente que circula por ella. Se debe generar un barrido del voltaje aplicado, midiendo en c

cada punto la corriente, para obtener la característica V vs I [4,5,6]. Propuesta de Solución:

٭ Por medio de un programa se debe generar un barrido de V y en cada punto se orriente I que circula por la muestra.

do 8255.

• Caract taje V conocido a la muestra bajo estudio y se mide su

apacitancia, así como sus valores resistivos asociados. Se debe generar un barrido del debe medir la c

٭ Se desarrolla un prototipo con conversiones D/A para aplicar voltajes a la muestra, y A/D para medir sus corrientes.

٭ Para establecer la comunicación con la PC se utiliza una tarjeta de puertos paralelo desarrollada con el circuito integra

٭ Los resultados se deben presentar en una gráfica V vs I, con la posibilidad de almacenarlos en un archivo.

erística V/C. Se aplica un vol c

voltaje aplicado, midiendo en cada punto los valores de C y R, se realizan cálculos para obtener una gráfica de V vs 1/C2. A partir de ésta gráfica se determina el potencial de contacto Vc y la densidad de los portadores Na [4,5,6].

Propuesta de Solución:

٭ Por medio de un programa se debe generar un barrido de V aplicado a la muestra y e debe medir la capacitancia C y sus resistencias serie y paralelo.

0 con interfase tipo GPIB

r la

.3.1

F

de cantidades asociadas con la luz, es decir, la medición de nergía radiante evaluada visiblemente. La luz es el aspecto de la energía radiante que

isible e infrarrojo del espectro electromagnético, se define como la corriente que fluye por la en cada punto s

٭ Para aplicar voltajes a la muestra se desarrolla una tarjeta de conversiones D/A, controlada por el puerto paralelo estándar de la PC.

٭ La capacitancia y sus valores resistivos asociados se miden con un medidor LCR fabricado por Stanford Research Systems, modelo 72

٭ Los resultados se deben presentar en una gráfica de V vs1/C2, y en una tabla con los valores medidos y calculados. La información de la tabla debe tene posibilidad de ser almacenada en un archivo.

2

La fotometría es la medición e

puede observar el ojo humana a través de la estimulación de su retina. Dentro del gran espectro electromagnético, la radiación visible ó luz se extiende desde 400nm hasta 750nm.

En general, la Respuesta Espectral para sensores fotovoltaicos en las regiones ultravioleta, v

celda en circuito cerrado (Isc), por unidad de potencia incidente de una luz monocromática en función de la longitud de onda. También se puede definir como un cambio del voltaje a través del sensor a circuito abierto (Voc) producido por la potencia incidente en función de la longitud de onda. En la práctica es muy común que la respuesta espectral se exprese numéricamente en términos de otras variables tales como la Sensitividad Radiante, la Eficiencia Cuántica, la Potencia Equivalente de Ruido (NEP), y la Detectividad, entre otras,

utilizando unidades radiométricas [7, 8, 9]. Algunas de éstas variables y otros conceptos fotométricos son:

Energía Radiante. Es la energía transportada en forma de ondas electromagnéticas. Se

otencia ó Flujo Radiante. Es la variación con el tiempo de la energía radiante en Watts

xcitación Radiante, Excitancia,.ó Irradiancia. Es la potencia por unidad de área en W*m-2

tensidad Radiante. Es el flujo radiante por unidad de ángulo sólido, se expresa en W*sr-1

adiancia. Es el flujo radiante por unidad de ángulo sólido y por unidad de área, se expresa

ensitividad Radiante. Es la relación de la fotocorriente generada en circuito cerrado (Isc), ó

ficiencia Cuántica. Es la relación del número de fotones incidentes con los fotoelectrones

otencia Equivalente de Ruido (NEP, Noise Equivalent Power). Es la cantidad de luz

etectividad. Es el inverso del NEP y se utiliza como una medida de la detección de la

odas las variables descritas siempre se expresan como una función de la longitud de onda expresa en Joules

P

E

In

R

en W*sr-1*m-2

S

el voltaje producido a circuito abierto (Voc), dividido entre la potencia radiante incidente a una determinada longitud de onda. Puede ser expresada como una sensitividad absoluta (A/W, V/W), ó bien como una sensitividad relativa, normalizada con respecto a la sensitividad máxima en una determinada lamda, con el valor pico tomado usualmente como 100.

E

de la corriente de salida. Se expresa en %.

P

equivalente al nivel de ruido intrínsico del dispositivo, ó bien, es el nivel de luz requerido para obtener una relación señal a ruido (S/N) igual a 1. El NEP se expresa en W*Hz-1/2

D

sensitividad de un dispositivo. Debido a que el ruido es normalmente proporcional a la raiz cuadrada del área fotosensitiva, mientras más pequeña sea ésta área mejor es el NEP aparente y la detectividad. Para tomar en cuenta el área fotosensitiva, la detectividad D se multiplica por la raíz cuadrada de ésta área para obtener D* en cm2*Hz1/2*W-1

T

incidente en el sensor y su curva característica en función de λ tiene la misma forma que la respuesta espectral con diferentes unidades de intensidad. En este trabajo no interesa tanto la intensidad del espectro como su ubicación en cuanto a longitud de onda λ.

CAPITULO 3

M

ONOCROMADOR

Dos de las principales características que se deben determinar para las celdas solares desarrolladas experimentalmente son la Eficiencia Cuántica Espectral (Capítulo 4) y la

Respuesta Espectral (Capítulo 5). Para obtener estas propiedades una de las principales

herramientas que se utiliza en el proceso de caracterización, es un sistema opto mecánico llamado monocromador, el cuál está asociado a un sistema electrónico externo de medición. En este capítulo se describe el funcionamiento básico de un monocromador que ha sido utilizado, en su forma manual original, por el grupo de estado sólido de la ESFM. Se da una propuesta de solución para controlar la operación del monocromador por medio del puerto paralelo estándar de una PC, bajo el control de un programa desarrollado en lenguaje gráfico G dentro del ambiente de LabVIEW®.

3.1

D

En la figura 3.1 se muestra esquemáticamente el sistema del monocromador y su principio de operación básico es el siguiente: El haz de una fuente luminosa pasa a través de un disco cortador de luz y entra al sistema óptico del monocromador por una rendija, con la cual se puede variar su intensidad. Dentro del monocromador el haz es dirigido, por medio de un sistema de espejos, hacia una rejilla de difracción cuya posición determina la longitud de onda λ del haz que sale por otra rendija, donde también se puede variar su intensidad.

FUENTE LUMINOSA FOTODETECTOR, CELDA

PATRON, O MUESTRA A CARCATERIZAR

REJILLA DE DIFRACCION

MONOCROMADOR

POSICIONADOR MECANICO

MANUAL

ESPEJOS

Voc ó Isc

Al medidor

Lock - In _MODULADORCHOPPER ó

MOTOR DE PASOS

CIRCUITOS DE POTENCIA

PC PUERTO PARALELO ESTANDAR

Fig. 3.1.- Diagrama esquemático del monocromador. Los 3 bloques de la parte inferior derecha representan el sistema desarrollado para seleccionar

el valor de λ de salida por medio de una PC.

La intensidad luminosa de salida, con una λ particular, es detectada por el dispositivo fotovoltaico de interés, el cuál puede ser un fotodetector, una celda solar patrón, ó bien la muestra bajo estudio. La respuesta generada por el dispositivo puede ser un voltaje a circuito abierto (Voc) en función de la longitud de onda incidente λ para la Respuesta Espectral., ó bien, puede ser una corriente a circuito cerrado (Isc), también en función de λ, para la

Eficiencia Cuántica Espectral. Cuando se miden voltajes producidos por la intensidad

luminosa que sale del monocromador, normalmente se utiliza un amplificador tipo lock-in. Este tipo de medición requiere de un control de chopper ó modulador para sincronizar a cierta frecuencia, la lectura del medidor con el paso de la luz proveniente de la fuente luminosa a través del disco cortador. Con este proceso de medición se eliminan errores por corrimientos de cd y por ruidos, obteniéndose mediciones muy precisas de pequeñas señales de voltaje [14,30].

En el sistema original del monocromador la longitud de onda λ de la señal de salida se puede variar posicionando a la rejilla de difracción manualmente por medio de un posicionador mecánico, el cual proporciona la lectura de λ de salida en una escala graduada. De ésta manera, en un principio, una vez seleccionada la longitud de onda λ deseada en forma manual, se realizaba la medición de la variable de interés (Voc ó Isc). La información obtenida de esta forma, es decir punto por punto y registrada en forma manual, se introducía en algunos casos a una PC para procesarla por separado y obtener resultados después de un tiempo considerable. Como se puede apreciar, este procedimiento manual punto por punto resulta muy tedioso y tardado cuando se realiza un barrido extenso de λ. Con la finalidad de optimizar la selección de la longitud de onda de salida del monocromador, y obtener tiempos de barrido mucho más reducidos, se desarrolló una interfase a PC, cuyos 3 bloques principales se muestran en la parte inferior de la figura 3.1.

3.2

C

P

El motor de pasos utilizado está formado por un estator de 4 fases y un rotor magnético permanente de 24 polos, con una resolución de 7.5° por paso. El motor está acoplado al sistema mecánico que mueve a la rejilla de difracción, de tal manera que puede posicionarla para que la señal luminosa de salida del monocromador tenga una determinada longitud de onda λ. Este motor de pasos puede ser modelado como un arreglo de 4 bobinas conectadas por un extremo a un solo punto común, cada una de ellas consume hasta 0.6A cuando es excitada. Cada bobina está asociada a un amplificador contenido en el circuito integrado de potencia media L293 como se muestra en la figura 3.2. Este circuito esta formado por cuatro amplificadores independientes que pueden proporcionar hasta 1A cada uno, a un voltaje máximo de alimentación de 36V [10].

Para controlar el movimiento del motor de pasos por medio de un programa ejecutado en la PC se utiliza su puerto paralelo estándar. Los niveles lógicos del tipo TTL que proporcionan las líneas de salida del puerto son desacoplados eléctricamente de la etapa de potencia por medio de fotoacopladores, tal y como se muestra en el diagrama esquemático de la figura 3.2. El desacoplamiento eléctrico evita que los ruidos generados en la etapa de potencia afecten los niveles lógicos TTL del puerto e inclusive que puedan dañarlo. El estado de cada bobina del motor de pasos se determina escribiendo cierto código en las 4 respectivas líneas de salida de datos del puerto (una línea de salida para una bobina), de tal manera que bajo el control del programa en la PC, es posible controlar la velocidad y la dirección de giro del motor. La secuencia de los códigos binarios, que deben ser enviados hacia el circuito de

potencia, para mover al motor en una cierta dirección es la siguiente [11]: 0011, 0110, 1100, 1001. Para invertir la dirección de rotación deben enviarse los mismos códigos pero en secuencia inversa. La velocidad de rotación depende de la frecuencia con la que cada código es enviado hacia el motor.

PUERTO PARALELO ESTANDAR

4 AMPLIFICADORES DE POTENCIA MEDIA (C.I. L293)

E1 E2 +5V

4 AMPLIFICADORES DE POTENCIA MEDIA (C.I. L293)

E1 E2

MOTOR DE PASOS 2

MONOCROMADOR 2 +5V

4 +5V

4 FOTO ACOPLADORES

( 4 X 4N33)

4N33

4

SELMON O

4

4 4

MOTOR DE PASOS 1

MONOCROMADOR 1 +Vcc

Fig. 3.2.- Diagrama esquemático de los circuitos de potencia

Como se observa en la figura 3.2 se tiene un segundo monocromador 2, el cual es controlado de la misma manera que el monocromador 1, pero sólo uno de ellos puede ser activado al mismo tiempo. Para seleccionar al monocromador de trabajo se utiliza una quinta línea de datos de salida del puerto (DATO5 = SELMONO en la figura 3.2) para habilitar a un solo circuito integrado L293 por medio de sus líneas E1 y E2. El inversor conectado al L293 asociado al monocromador 2 asegura que solo uno de los monocromadores se encuentre operando. Si la línea SELMONO se encuentra en el nivel lógico “1” el diodo emisor de luz del fotoacoplador 4N33 no conduce, el fototransistor de salida se encuentra abierto y en su colector se tiene un estado lógico “1”, con lo cual se habilita al monocromador 1. Con SELMONO en “0” el diodo emisor de luz conduce, el fototransistor de salida conduce en saturación y su colector se encuentra en un estado lógico “0” seleccionanando al monocromador 2 para operar. Para enviar los códigos requeridos por el motor de pasos se utilizan las 4 primeras líneas de salida de datos del puerto paralelo (DATO1-DATO4). Así entonces, las secuencias de códigos hexadecimales que se deben escribir en el puerto son los siguientes

03, 06, 0C, 09 se activa el monocromador 2 en un sentido 03, 06, 0C, 09 se activa el monocromador 2 en sentido opuesto 13, 16, 1C, 19 se activa el monocromador 1 en un sentido 13, 16, 1C, 19 se activa el monocromador 1 en sentido opuesto

3.3

P

P

.

Se propone controlar el movimiento del motor de pasos activo, de tal manera que a la salida de monocromador asociado, se obtenga una λ deseada a partir de una λ inicial dada. Para realizar el proceso se desarrolla un instrumento virtual (VI) en el lenguaje gráfico G de LabVIEW. En el apéndice A se presenta una descripción general del ambiente de LabVIEW,

donde también se incluye la metodología y el procedimiento para crear VIs. Se desea que el instrumento a desarrollar posicione al monocromador para que a su salida se tenga un cambio desde λ1 hasta λ2 , y

mantenga actualizado el valor de λ. Como entradas al VI se proponen Lam1 y Lam2, y como salidas, el valor

de LamAct y el sentido de

desplazamiento, tal y como se muestra en la figura de la derecha.

Para mover al motor se utiliza Mover el Motor.vi como subVI, el cuál se describe en el apéndice A.5, y tiene tres entradas y una salida de la siguiente forma:

Lam1

Posicionar.vi LamAct

Lam2 _sentido

Mover el Motor.vi (Sentido, Pasos, Lamda0; Lamda) Mueve al motor en un determinado

Sentido, un número Pasos, y calcula el valor de Lamda donde se posiciona el monocromador a partir de Lamda0. La propuesta se muestra en el bloque de la derecha, donde la entrada velocidad es solamente local.

Pasos

Mover el Motor.vi

velocidad Sentido

Lamda

Lamda0

Un posible pseudocódigo para posicionar al monocromador desde Lam1 hasta Lam2 es el siguiente, donde el valor de Res es el cambio de λ para un paso (ver sección 3.4), y se define como una variable global [25].

Posicionar.vi (Lam1, Lam2: LamAct, sentido) Pasos = | (λ2-λ1) / Res |

λ2 > λ1) ?

Si: sentido = IncLam

No: sentido = DecLam

Case sentido

IncLam: S0) Mover el Motor.vi (IncLam, Pasos+10, Lam1; Lamda) S1) Mover el Motor.vi (DecLam, Pasos=10, Lamda; Lamda) DecLam: S0) Mover el Motor.vi (DecLam, Pasos+10, Lam1; Lamda)

S1) Mover el Motor.vi (IncLam, Pasos=10, Lamda; Lamda) Fin

Para cualquier valor de la sentencia case, el motor se debe mover en determinado sentido de acuerdo al número de pasos calculados entre λ1 y λ2 más 10 pasos extras, y después, el motor se mueve 10 pasos en sentido inverso. Los 10 pasos adicionales en ambos sentidos se utilizan para compensar cualquier zona muerta que tuviera el sistema mecánico del monocromador. Para asegurar el orden de ejecución en LabView se utilizan dos secuencias, S0 y S1 en el pseudocódigo, para cada valor de sentido. En la figura 3.3 se presenta el diagrama a bloques en LabVIEW de Posicionar.vi con las dos secuencias descritas cuando sentido = IncLam. En la figura 3.4 se muestra las dos secuencias cuando sentido= DecLam.

El valor de la variable sentido esta dado por el valor de una Constante Enumerada, una constante enumerada es similar a un menú de texto con diferentes opciones. En la constante enumerada se asigna un nombre a cada valor entero de la constante [25, 26, 27]. En las figuras 3.3 y 3.4 se asigna a la variable sentido el valor de IncLam=0 cuando λ2>λ1 y el valor de DecLam=1 cuando λ2<λ1. En la primera secuencia 0(0..1) para ambos casos, el valor

actualizado de Lamda a la salida del subVI Mover el Motor.vi se transfiere a la siguiente secuencia1(0..1), por medio de una Secuencia Local [25, 26, 27]. Una secuencia local es

posteriores. similar a un registro y permite pasar información a secuencias

Fig. 3.3.- Secuencias 0(0..1) y 1(0..1) para mover el motor cuando sentido = IncLam = 0, es decir cuando λ2>λ1

Fig. 3.4.- Secuencias 0(0..1) y 1(0..1) para mover el motor c es decir cuando λ2<λ1

Todo lo anterior es válido para ir para un solo monocromador.

riginalmente el instrumento Mover el Motor.vi trabaja con la secuencia de códigos uando sentido = DecLam = 1,

un solo motor, es dec O

hexadecimales 3, 6, C, 9 la cual mueve el motor asociado al monocromador 2 (ver sección 3.2). Para mover el motor del monocromador 1 se debe enviar al puerto paralelo la misma secuencia de códigos, pero ahora también se debe activar la línea DATO5 = SELMONO=1 (ver figura 3.2). Para realizar este procedimiento se propone modificar el VI Mover el Motor.vi descrito en el apéndice A.7, para incluir una sentencia case controlada por la

variable global Mono, tal y como se muestra en la figura 3.5. Cuando se selecciona al

monocromador 2 para operar (Mono=0), el código del arreglo Código dado por el apuntador Ap se envía directamente al motor para moverlo un paso. Si Mono=1 se selecciona el monocromador 1 y el código enviado es la función OR con 10hex. El subVI Out Port.vi envía los códigos hacia el puerto, y es una función proporcionada en las librerías de LabVIEW.

Fig. 3.5.- Modificación al instrumento M a los dos monocrom

3.4

E

a ecuación de transferencia del monocromador relaciona la longitud de onda λ de la señal xperimentalmente sta ecuación se tomo como patrón una lámpara de calibración de Mercurio, cuyo espectro

tal manera que el paso cero corresponde al valor de lamda inicial. En ada punto de los barridos se midió el voltaje Voc generado por el fotofetector. El

alor de Lamda Actual

epite mientras Lamda Fin > Lamda Actual

la muestra a circuito abierto) los los valores de Pasos y Voc

in

ectuar la calibración del monocromador n procesados y graficados por medio de la hoja de calculo EXCEL. Algunos de ellos son uy similares entre si, de tal manera que se tomaron tres casos extremos para realizar el

over el Motor.vi para manejar adores

A C I Ó N D E

T

P

-

L

L

luminosa de salida con el número de pasos de entrada. Para determinar e e

esta bien definido para longitudes de onda conocidas. La muestra a caracterizar se substituyo por el fotodetector P2532 de la marca Hamamatsu [7], cuya temperatura se mantiene abajo de la temperatura ambiente, por medio de un control de temperatura diferencial [12], con la finalidad de incrementar su sensibilidad. La calibración se realizó únicamente en un intervalo del espectro visible, donde se localizan 4 picos bien definidos del espectro de Mercurio.

El proceso consistió en realizar hasta ocho barridos de lamda, paso por paso, en el intervalo de 3900Å a 5900Å, de

c

pseudocódigo de un primer programa que se escribió en lenguaje C, para realizar un barrido paso a paso y obtener un archivo de Pasos vs Intensidad, se muestra en las siguientes líneas.

Lamda Inicial=3900∆, Lamda Final=5900∆ Lee el v

R

Mide Voc (Mide el voltaje a través de Almacena en dos arreg

Avanza un paso el motor

Almacena en un archivo los arreglos de Pasos y Voc F

Los archivos de los barridos que se realizaron para ef fuero

m

análisis. En la figura 3.6 se presenta la gráfica de estos tres barridos, donde se pueden identificar claramente cuatro picos del espectro de Mercurio para longitudes de onda de: 4046.56∆, 4385.35∆, 5460.74∆, y 5790.65∆ [8, 9, 13].