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UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES
TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA CELDA FOTOVOLTAICA
CONTENIDO:
1.1.
Características del recurso solar.
1.2.
La celda fotovoltaica.
1.3.
Tipos de celdas fotovoltaicas.
Autores:
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1.1.
Características del recurso solar.
¿Qué es la radiación?
La radiación se realiza a través de ondas que se mueven en el tiempo y en la
distancia y que trasportan esta energía, y las llamamos ―ondas electromagnéticas‖. De
manera que es posible diferenciarlas a partir de su longitud de onda (por su movimiento
en la distancia) y por su periodo T, o su frecuencia, ⁄ debido a su movimiento en el
tiempo (figura 1.1). E incluso como se pueden mover en el vacío su velocidad es la
máxima que puede alcanzar cualquier objeto, y se obtiene multiplicando los dos factores,
.
Figura 1.1. Ondas en tiempo y espacio 1.
Esta velocidad constante hace que se tenga una gama infinita de ondas
electromagnéticas, ya que por cada valor de hay un único valor de f en el que su
producto sea , y que se puedan separar en intervalos de distintos
tamaños, por ejemplo si está entre decimas de milímetros y hasta un metro, decimos
que el intervalo es en microondas, y así sucesivamente (figura 1.2).
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Ahora bien, todo cuerpo, a cualquier temperatura, emite energía en forma de
radiación electromagnética. Esto significa que no existe cuerpo que no emita ya que es
imposible que un cuerpo adquiera una temperatura de cero absoluto (Tercera ley de
Termodinámica). Esta emisión se lleva a cabo en todo un intervalo de longitudes de onda,
con intensidades que aumentan a longitudes de onda menores y cuyo pico máximo
corresponde a (Ley de Wien). Esto define una curva en una gráfica de
intensidades versus longitudes de onda llamada espectro, donde el tamaño del intervalo
de longitudes de onda que abarca lo define el área bajo la curva, dada por (Ley
de Stefan-Boltzmann, con ). Así, si damos un valor de temperatura,
podemos observar el espectro que se formaría. De esta manera es posible obtener
teóricamente el espectro del sol, con sólo meter la temperatura a la cual se encuentra (se
ha obtenido de T = 5800 K) en la ley de Stefan-Boltzmann, dando un H de
aproximadamente de 5.96 x 107 W/m2, y su pico de máxima emisión en medio del rango
visible (figura 1.3). A este cálculo se le denomina radiación de cuerpo negro debido a que
sólo se está suponiendo que la radiación es exclusiva de la temperatura, es decir, que no
existen reflexiones de radiación que aporten a la emisión, lo que significa que si estuviera
frío se vería absolutamente negro sin emitir nada.
Figura 1.3. Espectros de radiación emitida por cuerpos a distintas temperaturas 3.
Entonces, a temperaturas ordinarias de un ser vivo, 20-35 °C, casi toda la energía
se emite en el infrarrojo, con longitudes de onda mucho mayores que las de luz visible. Al
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suficiente radiación visible para convertirse en luminoso ―al rojo vivo‖, aunque aún a la
mayoría de la energía se transporta en ondas de infrarrojo. A 3000 °C, la temperatura de
un filamento de foco, la radiación contiene suficiente luz visible para que el cuerpo se vea
―al rojo blanco‖.
Si comparamos los espectros de radiación del sol y la tierra, nos podemos dar
cuenta porque la tierra no se puede ver de noche, ya que lo que se ve es el reflejo del sol
en ella debido a que ella emite en el infrarrojo (figura 1.4).
Figura 1.4. Espectros de radiación del sol y la tierra 4.
De la Ley de Stefan-Boltzmann es posible ver que H tiene unidades de potencia
dividida entre área, siendo la medición de la potencia radiada del emisor distribuida en el
área que recibe, lo que comúnmente se le denomina radiación. Por lo que si se quiere
conocer la potencia del sol en su superficie, solo es cuestión de multiplicar H con el área
de la esfera cuyo radio, es el radio del sol,
P
H
sol4
R
sol2. Más aún, si se quiere conocerla radiación que emite el sol en cualquier punto a una distancia D de él, solo es cuestión
de igualar las potencias.
P
H
sol4
R
sol2
H
O4
D
2, donde Ho sería la radiación que llegadel sol a la distancia D (ver tabla 1.1). Es así como se obtiene lo que se conoce como la
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Tabla 1.1. Algunas características de los planetas.
Sin embargo, este valor de 1366.1 W/m2 (AM0) se obtiene en el vacío, donde no
hay partículas suspendidas, o sea, antes de que los rayos crucen la atmósfera de la tierra,
porque en cuanto cruzan, la radiación es dispersada, reflejada y absorbida por las
partículas que componen la atmósfera, llegando así un 30% de la radiación incidente a la
superficie de la tierra, quedando aproximadamente 1000 W/m2 (figura 1.5).
Figura 1.5. Pérdida de radiación 5.
Por supuesto, esta situación también se ve afectada en el espectro de emisión,
cambiando desde el cálculo teórico (espectro de radiación de cuerpo negro), al real fuera
de la atmósfera (AM0, de H = 1.3 kw/m2) y hasta el real en la superficie terrestre (AM1.5, Planeta Distancia D
(x109 m)
Irradiación solar media (W/m2) Ho
Mercurio 57 9116.4
Venus 108 2611.0
Tierra (Unidad astronómica) 150 (Constante solar) 1366.1
Marte 227 588.6
Júpiter 778 50.5
Saturno 1426 15.04
Urano 2868 3.72
Neptuno 4497 1.51
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de H = 1 kw/m2), donde incluso es posible observar las regiones del espectro que son
absorbidas por las distintas partículas suspendidas (figura 1.6).
Figura 1.6. Comparación de espectros del sol 6.
1.2.
La celda fotovoltaica.
El efecto fotovoltaico es el fenómeno físico de conversión de la radiación
electromagnética en corriente eléctrica mediante un dispositivo llamado celda fotovoltaica.
El nombre de fotovoltaico es un término que proviene de combinar la raíz griega photos
(que significa luz) con volt, que es la unidad de fuerza electromotriz —que toma el nombre
del físico Alessandro Volta (1745-1827), el inventor de la batería eléctrica en 1800—. El
efecto fotovoltaico consiste, pues, en la generación de electricidad a partir de la luz.
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El descubrimiento del efecto fotovoltaico se atribuye a Edmond Becquerel que en
1839 publicó un artículo donde explicaba que dos planchas de metal sumergidas en un
líquido conductor y expuestas a la luz del Sol generaban un pequeño voltaje (figura 1.8).
Casi cuarenta años más tarde, Willoughby Smith descubrió que el selenio era sensible a
la luz. Estudios posteriores con este elemento permitieron a Adams y Day comprobar que
la luz excitaba el selenio y se generaba electricidad. En 1886 un industrial americano,
Charles Edgar Fritts, descubrió la primera celda de selenio (que tenía una eficiencia
inferior a 1%) pero la primera celda fotovoltaica con eficiencia comparable a las actuales
(6%) no se fabricó hasta 1954 en los laboratorios Bell (USA).
Figura 1.8. Experimento de Edmond Becquerel 8.
Desde el punto de vista de su capacidad para conducir la electricidad los
materiales se clasifican en conductores y en aislantes. En los materiales denominados
conductores sus átomos disponen de electrones en su capa más externa (electrones de
valencia), que no están muy ligados al núcleo y, por tanto, se pueden desplazar
fácilmente de un átomo a otro; basta que exista una pequeña diferencia de potencial. En
los materiales aislantes los electrones de valencia están fuertemente atados al núcleo, por
tanto, para poder desplazarse requieren de grandes diferencias de potencial. Entre estas
dos clases de materiales se encuentran los denominados semiconductores (figura 1.9).
Los electrones de valencia de los materiales semiconductores de una celda solar
fotovoltaica presentan una cierta ligazón con el núcleo, pero son arrancados por la
energía de los fotones de la radiación solar que incide sobre ellos. Este fenómeno se
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Figura 1.9. Tipos de Materiales 9.
Semiconductores
El electrón puede saltar de un orbital a otro emitiendo o absorbiendo energía en
forma de radiación electromagnética y la variación de energía entre los dos orbitales
E
,es una cantidad elemental de energía llamada quantum de energía. Formalmente:
(1.1)
donde h es la constante de Planck y es la frecuencia de la radiación. La energía
transportada por una onda electromagnética de frecuencia está empaquetada en
unidades fundamentales, los fotones, que acumulan, cada uno, una energía .
Cuando se absorbe radiación electromagnética de frecuencia , la energía captada es un
múltiple de la energía Eh
transportada por los correspondientes fotones.De todas las posibles bandas que pueden asociarse a una sustancia, las que
tienen más interés para justificar las propiedades de los materiales son las bandas que
corresponden a los niveles de energía de los electrones más externos.
Banda de valencia: La banda que corresponde a los niveles de energía de los electrones
de valencia. A temperatura del cero absoluto (0 K), cuando los electrones se encuentran
en el estado fundamental, el estado de mínima energía, la banda de valencia siempre
está totalmente ocupada y no permite el desplazamiento interatómico de los electrones.
E
h
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Banda de conducción: La banda que corresponde a niveles de energía inmediatamente
por encima de los niveles de energía de los electrones de valencia. A cualquier
temperatura, siempre tiene estados de energía vacantes susceptibles de ser ocupados
por electrones. Por lo tanto, en la banda de conducción, los electrones, si es que hay,
pueden desplazarse fácilmente dentro de la misma banda y, así, ser los responsables de
transportar la corriente eléctrica y el calor.
En el diagrama de bandas de energía de una sustancia (figura 1.10), puede haber
bandas que se solapan las unas con las otras y bandas que estén separadas por una
región en la que no hay ningún nivel de energía que corresponda al estado de ningún
electrón: esta región se llama banda prohibida o gap. Gap es una palabra inglesa que
significa separación, intervalo vacío.
Figura 1.10. Diagrama de bandas 10.
Los buenos conductores, los metales, se caracterizan por el hecho de que, a
cualquier temperatura, la banda de conducción y la banda de valencia se solapan, de
modo que la banda de conducción siempre está parcialmente ocupada. Esto justifica la
excelente capacidad de conducción de los conductores metálicos a cualquier temperatura.
Contrariamente, en el diagrama de bandas de energía de los semiconductores siempre
hay un gap, una banda de energía prohibida, entre la banda de valencia y la banda de
conducción. Esta estructura justifica que a bajas temperaturas los semiconductores no
conducen la corriente eléctrica y se comporten como aislantes. Al aumentar la
temperatura, en cambio, algunos electrones de la banda de valencia pueden adquirir la
energía necesaria para saltar la banda prohibida, pasar a la banda de conducción y el
material se convierte en conductores. Aún más, los electrones excitados que pasan de la
banda de valencia a la de conducción, dejan niveles de energía vacantes en la banda de
valencia (huecos), con lo que se favorece la posibilidad de desplazamiento de huecos
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Figura 1.11. Generación de pares electrón – hueco 11
.
En la tabla 1.1 se muestran algunos valores orientativos de la energía del gap, Eg,
de algunas sustancias a temperatura ambiente. En esta tabla, las sustancias que tienen
un gap superior a los 2 eV pueden considerarse aislantes, mientras que el resto son
semiconductores.
Tabla 1.1. Energía del gap para diferentes materiales
Sustancia Símbolo
químico Eg (eV)
Carbono C 5,5
Silicio Si 1,1
Germanio Ge 0,7
Arseniuro de galio GaAs 1,34
Antimoniuro de
indio InSb 0,23
Sulfuro de cadmio CdS 2,42
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En el dopaje de un semiconductor de germanio o de silicio con átomos de un
elemento del grupo (III-A) de la tabla periódica, como el aluminio (B) o el galio (Ga), los
átomos trivalentes de estos tres elementos (con 3 electrones en la última capa) no pueden
establecer los cuatro enlaces requeridos para los átomos tetravalentes de germanio o de
silicio (no pueden aportar los cuatro electrones que se necesitan para llenar totalmente la
banda de valencia). Por tanto, los átomos trivalentes (las impurezas aceptadoras) originan
huecos extras en la banda de valencia (figura 1.12a). Ya que los huecos extras aportados
por los átomos impurificados pueden aceptar electrones, es decir, pueden ser ocupados
por electrones, se dice que los elementos químicos del grupo (III-A) de la tabla periódica
son elementos aceptadores.
La corriente eléctrica en un semiconductor dopado con elementos aceptadores se
produce mayoritariamente gracias al movimiento de los huecos, que es equivalente a un
movimiento de cargas positivas y que son los portadores de carga mayoritarios dentro del
material. Por eso el semiconductor dopado con elementos aceptores se llama
semiconductor tipo p.
El dopaje con átomos pentavalentes de un elemento del grupo (V-A) como el
arsénico (As) o el fósforo (P) comporten la introducción de un quinto electrón que no cabe
en la banda de valencia y que se sitúa en la banda de conducción (figura 1.12b). Los
átomos pentavalentes aportan electrones a la banda de conducción y por eso se llaman
elementos donadores. Los portadores de carga mayoritarios en estos materiales son los
electrones de la banda de conducción y se habla de semiconductor tipo n.
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Una unión pn semiconductora está constituida por un único cristal de material
semiconductor que ha sido dopado de modo que contenga dos regiones claramente
diferenciadas. Una región se convierte en un semiconductor extrínseco de tipo p mientras
que la otra región es de tipo n. La parte central del cristal en que se pasa del tipo p al tipo
n es la llamada unión pn (figura 1.13). La característica más importante de la formación de
una unión pn ideal es que implica un gradiente de concentración en la región de la unión,
lo que comporta una difusión de portadores entre ambas regiones.
Figura 1.13. Unión PN 13.
La celda solar
Cuando la luz del Sol incide sobre una unión p-n en un material semiconductor, los
fotones absorbidos, si tienen la frecuencia adecuada (deben tener una energía igual o
superior al gap de energía entre las bandas del semiconductor) transfieren su energía a
los electrones de la banda de valencia generando una pareja electrón-hueco (figura 1.14).
El campo eléctrico presente en la unión p-n impulsa el electrón hacia la región tipo n y al
hueco hacia la región tipo p. Estos dos desplazamientos de cargas y signos opuestos y en
sentidos ocupados, comportan una corriente que, en ambos casos, va desde el
semiconductor tipo n hacia el tipo p. Colocando unos colectores al final de los tipos de
semiconductor que puedan recoger los electrones que se han desplazado hacia la zona
tipo n y los huecos que se han desplazado hacia la zona tipo p (en este caso, recoger los
huecos del semiconductor es equivalente a dar electrones al semiconductor) y cerrando el
circuito eléctrico uniendo los colectores a través de un conductor externo se podrá
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El contacto eléctrico sobre la cara iluminada debe hacerse de tal manera que deje
al descubierto la mayor parte de su superficie del semiconductor con el fin de facilitar la
penetración de la luz en el semiconductor pero, a la vez debe proporcionar una baja
resistencia eléctrica.
Figura 1.14. Estructura de la celda solar y sus diferentes capas 14.
La solución del compromiso que suele adaptarse consiste en utilizar contactos con
forma de peine. Por el contrario, el contacto eléctrico sobre la cara no iluminada cubre
toda el área. Habitualmente la cara iluminada se cubre con una capa de material anti
reflectante para aumentar el porcentaje de la energía solar absorbida.
La corriente que es capaz de generar una celda solar depende de las
características del semiconductor y de la unión p-n; de la intensidad y frecuencia de la
radiación incidente (si la frecuencia está por encima del mínimo necesario para que los
electrones puedan saltar el gap de energía, cuanto mayor sea la intensidad, más parejas
electrón-hueco se podrán formar y más intensa podrá ser la corriente), de la temperatura
y de la carga eléctrica externa que cierra el circuito. Pero el tipo de celda determina la
frecuencia de potencial que puede conseguirse en la correspondiente unión p-n.
Aumentando la intensidad de la radiación incidente aumenta la intensidad de corriente
generada y, con una iluminación constante, aumentando la superficie de la unión p-n
aumentará proporcionalmente la intensidad de corriente generada.
En general las celdas fotovoltaicas que se comercializan tienen un rendimiento
máximo de un 15% a una temperatura ambiente (T 25C) y por una intensidad de
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densidad de intensidad de corriente generada es
J
30
mA
cm
2 y la tensión máxima que se obtiene esV
0
.
58
V
.La asociación de celdas solares en serie permite aumentar el voltaje del conjunto y
mantiene la misma intensidad de corriente que genera una sola celda. La asociación de
celdas solares en paralelo permite aumentar la intensidad de corriente y mantiene la
misma diferencia de potencial establecida por una sola celda.
Característica I-V
Si se ilumina una celda solar que está conectada a una carga externa se produce
una diferencia de potencial y una circulación de corriente. En estas condiciones de
funcionamiento la celda se comporta como un generador de energía. Los fenómenos
que tienen lugar en el interior del dispositivo se pueden describir de la siguiente forma:
1. Los fotones que inciden sobre la celda con energía igual o superior que el
ancho de la banda prohibida se absorben y generan parejas electrón-hueco
que pueden actuar como portadores de corriente.
2. El campo eléctrico producido por la unión p-n es la causa de la separación de
los portadores antes de que puedan recombinarse de nuevo. Por tanto, este
campo eléctrico es el que suministra energía a las cargas eléctricas y hace
posible la corriente.
3. La acumulación de una diferencia de potencial entre las terminales del
dispositivo produce, como en cualquier dispositivo de unión p-n, fenómenos de
inyección de carga y de recombinación de parejas electrón-hueco que en la
celda solar actúan como pérdidas de recombinación (y que dependen de la
diferencia de potencial establecida).
La corriente proporcionada por un diodo semiconductor iluminado (la unión p-n
puede trabajar también como un diodo) es el resultado neto de dos componentes internos
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1) La corriente foto generada o fotocorriente IL debido a la separación de portadores
electrón-hueco por absorción de la radiación.
2) La corriente de diodo o corriente de oscuridad ID debido a la recombinación de
parejas electrón-hueco que favorece la diferencia de potencial entre las terminales.
Figura 1.15. Sentido del corriente y electrones desplazados 15.
Admitiendo que la celda responde linealmente a estas dos excitaciones,
iluminación y diferencia de potencial, la corriente neta
I
que circula viene dada por lasuma algebraica de ambos componentes anteriores. Tomando como positivos las
corrientes de generación, se puede escribir
D L
I
I
I
(1.2)que es la ecuación característica de la celda solar, válida en todos sus rangos de
funcionamiento, incluso cuando el dispositivo actúa como un diodo receptor de energía
porque la recombinación excede a la generación.
Considerando que la corriente de diodo se puede expresar mediante el modelo
exponencial, la ecuación característica del dispositivo es:
0exp
1
mkT
eV
I
I
I
L (1.3)donde,
I
0 es la corriente de saturación, m es el factor de idealidad, k es la constante deBoltzman, y T es la temperatura absoluta. De tal forma que su curva característica en la
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Figura 1.16. Característica I-V de un semiconductor 16.
Punto de máxima potencia (MPP)
Para una celda solar conectada a una carga eléctrica externa de resistencia, R, si
hacemos variar la resistencia del circuito externo desde cero hasta infinito, la intensidad
de corriente
Y la diferencia de potencial en el circuito externo variará siguiendo una curva
característica I-V (figura 1.17).
Figura 1.17. Punto de máxima potencia i característica I-V 17.
La potencia suministrada (potencia de salida) viene dada por la expresión:
I
V
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En los dos extremos del anterior gráfico (figura 1.17):
i. R0; se gasta toda la energía en el interior de la celda y la diferencia de
potencial es V 0 y la intensidad de corriente es de la de cortocircuito
I
I
SC.La potencia de salida al exterior es P0.
Intensidad de cortocircuito ISC: Es la intensidad que circula cuando la carga del
módulo ofrece una resistencia nula al paso de la corriente. La intensidad de
cortocircuito se puede medir directamente con el amperímetro.
ii.
R
; no circula corriente I 0 y la diferencia de potencial es lacorrespondiente a circuito abierto
V
V
CO. La potencia de salida al exterior es0
P .
Tensión de circuito abierto VCO: Es la diferencia de potencial entre los bornes
del módulo cuando no hay ninguna carga conectada. Esta tensión es la máxima
que puede suministrar el módulo.
Hay un valor de la resistencia externa que propicia la máxima transferencia de
energía y que corresponde al punto de máxima potencia
P
max, indicado en el gráfico.La placa funcionará en las condiciones óptimas si se regula la carga externa de
modo que en el punto de funcionamiento (
I
I
pmax,V
V
pmax) la potencia transferidasea la máxima
P
P
max . Intensidad de máxima potencia Imax: Intensidad del punto de máxima potencia. Es
la intensidad que circula cuando la carga externa permite trabajar a la máxima
potencia (transferencia máxima de energía desde el módulo hacia la carga
externa).
Tensión de máxima potencia Vmax: Tensión del punto de máxima potencia.
Diferencia potencial entre los bornes del módulo cuando la carga externa permite
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Potencia nominal del panel Pmax: La potencia nominal del panel es la
correspondiente al punto de máxima potencia. La medida de la potencia nominal
se suele expresar en Watts-pico (
W p
).max max
max
V
I
P
Factor de Llenado, FF: El factor de llenado es el cociente entre la máxima
potencia dividida con el producto de la corriente de corto circuito y el voltaje de
circuito abierto. Gráficamente, de la curva I-V de la figura 1.18, es cuánta área del
rectángulo A, llena la del rectángulo B.
Figura 1.18. Rectángulos de máxima potencia y de corriente de corto circuito y voltaje de circuito abierto 18.
1.3.
Tipos de celdas fotovoltaicas.
La clave en el desarrollo de la conversión fotovoltaica han sido los elementos
semiconductores: el silicio, el germanio, el arseniuro de galio, el sulfuro de cadmio y
algunos otros.
El silicio es el semiconductor más usado en la tecnología fotovoltaica. Añadiéndole
impurezas de fósforo o arsénico, el silicio se convierte en tipo n. Las impurezas de boro o
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En la fabricación de celdas solares (figura 1.19), primero se debe obtener el silicio
con una gran pureza (calidad solar) y después doparlo con impurezas en concentraciones
infinitesimales (de 1016 a 1019 de átomos de impureza por cm3).
El nivel tecnológico necesario para estos tratamientos hace que las celdas
fotovoltaicas sean relativamente costosas dentro del mercado energético.
Figura 1.19. Proceso de fabricación de celda solar 19.
Materiales fotovoltaicos
Silicio monocristalino
Los módulos hechos con celdas de silicio monocristalino sobrepasan la
eficiencia de conversión luz-electricidad en un 12-16% y en materiales de
investigación se ha alcanzado el 24% (figura 1.20).
Silicio policristalino (Sc-Si)
Las celdas son más baratas de fabricar. La eficiencia está alrededor de un
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Arseniuro de galio (GaAs)
Material semiconductor que permite alcanzar una eficiencia entre el 25 y el
30%. Las principales ventajas de estas celdas respecto a las del silicio es que
tienen un rendimiento inicial mayor, una menor degradación después de ser
irradiadas y un mejor coeficiente de temperatura. Por el contrario, pesan el
doble que las de silicio. Se utilizan en la tecnología aeroespacial y requieren
sistemas de concentración de la luz.
Figura 1.20. Celdas solares fabricadas con silicio 20.
Películas fotovoltaicas
Se configura como la tecnología del futuro por su coste más bajo y porque se
pueden incorporar en fachadas y otros materiales transparentes (figura 1.21).
Silicio amorfo
Se utilizan en módulos semitransparentes, en productos de consumo como
relojes solares o calculadoras. Aunque son menos eficientes (7-9%) han sido
muy utilizados en aplicaciones en el espacio por su ligereza. Tienen la ventaja
de que tanto el silicio como el hidrógeno son materiales abundantes y la
deposición de materiales amorfos se puede hacer a bajas temperaturas e
incluir en un sustrato de cristal. Por el contrario, tienen el inconveniente de que
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Telurio de cadmio (CdTe)
Es el material policristalino de fabricación más fácil y tiene la ventaja de ser
muy favorable por su reducido coste. Hace más de diez años que se fabrica
para calculadoras solares. Los módulos comerciales (7.200 cm2) tienen una
eficiencia de un 8,5% y en el laboratorio se ha alcanzado el 16%. A pesar de
ello, tienen el inconveniente de trabajar con el cadmio, un metal considerado
como muy tóxico.
Diseleniuro de cobre e indio (CuInSe2 o CIS)
Película policristalina con el que se ha alcanzado una eficiencia del 17,7% y
en módulos comerciales el 10%. Parece que son los que mejor mantienen la
estabilidad de eficiencia de producción con los años.
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Referencias de imágenes:
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Bibliografía:
La elaboración de este material didáctico se obtuvo del apoyo de la siguiente lista
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