viernes, 6 de febrero de 2015

LA CÉLULA FOTOVOLTAICA

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La conversión de la radiación solar en una corriente de electrones tiene lugar en la célula fotovoltaica, un dispositivo formado por una delgada placa de material semiconductor, a menudo silicio, correctamente tratada.
Este tratamiento se caracteriza por varios procesos químicos, entre los que están los así llamados "dopados".
Insertando en la estructura cristalina del silicio impurezas, es decir átomos de boro y fósforo, se genera un campo eléctrico y también se ponen a disposición las cargas necesarias a la formación de la corriente eléctrica. Ésta se crea cuando la célula, cuyas dos caras están conectadas a un aparato eléctrico, está expuesta a la luz.

La energía que es posible utilizar depende de las características del material que constituye la célula: la eficiencia de conversión (porcentaje de energía contenida en las radiaciones solares que es transformada en energía eléctrica disponible a los bornes) de las células al silicio disponibles en el mercado normalmente está comprendido entre el 13% y el 17%, mientras que especiales productos de laboratorio han alcanzado el 32,5%.

Prácticamente la típica célula fotovoltaica tiene un espesor total de entre 0,25 y 0,35 mm y está constituida por silicio mono o policristalino. Generalmente es de forma cuadrada, tiene una superficie comprendida entre 100 y 225 m² y produce, con una radiación de 1 kW/m² a una temperatura de 25°C, una corriente comprendida entre 3 y 4 A, una tensión de aproximadamente 0,5 V y una potencia correspondiente de 1,5 - 2 Wp.

El vatio pico
Como la potencia de una célula fotovoltaica varía al variar su temperatura y su radiación, para poder hacer una comparación se han establecido unas condiciones estándar de referencia, que dan origen al así llamado vatio pico (Wp), relativo a la potencia producida por la célula a la temperatura de 25°C bajo una radiación de 1.000 W/m² y en condiciones de AM1,5.

Recientemente muchas empresas productoras han demostrado un fuerte interés, además que por el silicio cristalino, en la realización de líneas de producción de módulos basados en el silicio amorfo. Con el amorfo, en realidad, no se puede hablar de células porque se trata de deposiciones de silicio (en estado amorfo) en superficies que pueden ser incluso amplias.
El silicio amorfo ya está presente en el mercado desde hace varios años, pero hasta ahora no había ganado una cuota de mercado significativa, sobre todo a causa de las dudas existentes sobre su estabilidad en el tiempo: con el paso de los años a menudo se verificaba una reducción de las prestaciones. Por eso el amorfo era (y es todavía hoy) utilizado sobre todo para aplicaciones "indoor", es decir para alimentar pequeños aparatos eléctricos, como calculadoras de bolsillo, relojes, diferentes gadgets...
Recientemente se ha desarrollado una tecnología productiva que realiza varios estratos de silicio amorfo, la así llamada "heterounión", que al parecer resuelve los viejos problemas de estabilidad. En cuanto al costo, el tradicional silicio amorfo presenta menor costo con respecto al silicio cristalino (mono o multi), mientras que el amorfo de dos o tres uniones necesita ulteriores reducciones de costo para que se pueda difundir a gran escala.

La "física" del proceso fotovoltaico
La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica, realizada con la célula fotovoltaica,
utiliza el fenómeno físico, denominado efecto fotovoltaico, de la interacción de la radiación luminosa con los electrones de valencia en los medios semiconductores. Cualquiera que sea el material utilizado, el mecanismo con el que la célula transforma la luz solar en energía eléctrica es esencialmente lo mismo. Para mayor simplicidad, tomemos en consideración el caso de una célula fotovoltaica convencional de silicio cristalino.

Normalmente el átomo de silicio posee catorce electrones, siendo cuatro de ellos electrones de valencia, que por lo tanto pueden participar a las interacciones con otros átomos, tanto de silicio como de otros elementos. Dos átomos adyacentes de un cristal de silicio puro tienen en común un par de electrones, uno de los que pertenece al átomo considerado, mientras que el otro pertenece al átomo cercano.

Hay, pues, un fuerte enlace electrostático entre un electrón y los dos átomos que contribuye a mantener unidos. Ese enlace puede ser separado por una cierta cantidad de energía: si la energía suministrada es suficiente, el electrón es llevado a un nivel energético superior (banda de conducción), donde es libre de desplazarse, contribuyendo así al flujo de electricidad. Cuando pasa a la banda de conducción, el electrón deja detrás de sí un "hueco", es decir un vacío donde falta un electrón. Un electrón cercano puede llenar fácilmente el hueco, intercambiándose así de lugar con éste.
Para aprovechar la electricidad es necesario crear un movimiento coherente de electrones (y de huecos), es decir una corriente, mediante un campo eléctrico dentro de la célula. El campo se realiza con particulares tratamientos físicos y químicos, creando un exceso de átomos cargados positivamente en una parte del semiconductor, y un exceso de átomos cargados negativamente en el otro. Prácticamente se obtiene esta condición introduciendo pequeñas cantidades de átomos de boro (cargados positivamente) y de fósforo (cargados negativamente) en la estructura cristalina del silicio, es decir dopando el semiconductor.

La atracción electrostática entre las dos especies atómicas crea un campo eléctrico fijo que da a la célula la estructura llamada "de diodo", en el que el paso de corriente, constituida por portadores de carga libres, por ejemplo electrones, está obstaculizado en una dirección y facilitado en la contraria. La explicación de este fenómeno puede ser ejemplificada como sigue.

En la capa dopada con fósforo, que tiene cinco electrones exteriores o de valencia contra los cuatro de silicio, está presente una carga negativa débilmente combinada, formada por un electrón, llamado "de valencia", para cada átomo de fósforo.

De la misma manera, en la capa dopada con boro, que tiene tres electrones exteriores, se determina una carga positiva en exceso, formada por los huecos presentes en los átomos de boro cuando se combinan con el silicio.

La primera capa, de carga negativa, se indica con N, la otra, de carga positiva, con P, la zona de separación se llama unión P-N.
Al acercar las dos capas se activa un flujo electrónico desde la zona N hasta la zona P que, conseguido el punto de equilibrio electrostático, determina un exceso de carga positiva en la zona N, debido a los átomos de fósforo con un electrón de menos, y un exceso de carga negativa en la zona P, debido a los electrones provenientes de la zona N. El resultado es un campo eléctrico interno al dispositivo que separa los electrones en exceso generados por la absorción de la luz por parte de los huecos correspondientes, empujándolos hacia direcciones opuestas (los electrones hacia la zona N y los huecos hacia la zona P) de manera que un circuito exterior pueda recoger la corriente así generada.

Es importante que el campo "incorporado" esté situado lo más próximo posible a la región del dispositivo que absorbe la luz. Los fotones de la luz que tienen bastante energía pueden arrancar un electrón de un estado combinado y elevarlo a un estado libre en la banda de conducción del material.
Se obtiene así la producción de dos portadores de carga libres: el electrón libre, en la banda de conducción, y el hueco libre, en la banda de valencia.
La conversión de la luz en energía eléctrica realizada por la célula fotovoltaica se produce esencialmente porque estos portadores de carga libres, generados por la luz, son empujados hacia direcciones opuestas por el campo eléctrico incorporado.
Una vez atravesado el campo, los electrones libres ya no vuelven atrás, porque el campo, actuando como un diodo, les impide invertir el rumbo.

Por eso, cuando la luz incide en la célula fotovoltaica, las cargas positivas son empujadas en número creciente hacia la parte superior de la célula y las cargas negativas hacia la inferior, o viceversa, según el tipo de célula. Si la parte inferior y la superior están conectadas por un conductor, las cargas libres lo atraviesan y se obtiene una corriente eléctrica. Mientras la célula permanece expuesta a la luz, la electricidad fluye con regularidad como corriente continua.

De toda la energía que llega a la célula solar en forma de radiación luminosa, sólo una parte es convertida en energía eléctrica disponible para sus bornes. La eficiencia de conversión en células comerciales al silicio normalmente está comprendida entre el 13% y el 17%, mientras que especiales productos de laboratorio han alcanzado el 32,5%.

Los motivos de ese baja eficiencia son muchos y es posible agruparlos en cuatro categorías:
  • reflexión: no todos los fotones que inciden en la célula penetran en su interior, puesto que algunos de ellos son reflejados por la superficie de la célula y algunos inciden en la rejilla metálica de los contactos;
  • fotones demasiado o poco energéticos: para romper el enlace entre electrón y núcleo es necesaria una determinada energía, y no todos los fotones incidentes poseen energía suficiente. Por otra parte algunos fotones demasiado energéticos forman pares electrón-hueco, disipando en calor la energía excedente, necesaria para separar el electrón del núcleo.
  • recombinación: no todos los pares electrón-hueco generados son recogidos por el campo eléctrico de unión y enviados a la carga externa, puesto que en el trayecto desde el punto de formación hacia la unión pueden encontrar cargas de signo opuesto y así volver a combinarse.
  • resistencias parásitas: las cargas generadas y recogidas en la zona de vaciado tienen que ser enviadas al exterior. La operación de recogida es efectuada por los contactos metálicos colocados en la parte anterior y en la posterior de la célula. Aunque durante la fabricación se efectúa un proceso de aleación entre silicio y aluminio de los contactos, permanece cierta resistencia a la interfaz, que provoca una disipación que reduce la potencia transferida a la carga. En el caso de células de silicio policristalino, la eficiencia es todavía menor por causa de la resistencia que los electrones encuentran en los límites entre un grano y otro y, aún más en caso de células de silicio amorfo, por la resistencia debida a la orientación casual de cada átomo.
La característica eléctrica de las células solares
Ya hemos recordado que la célula fotovoltaica en sustancia es un diodo de amplia superficie. Al exponerla a la radiación solar, la célula se comporta como un generador de corriente, cuyo funcionamiento se puede describir por medio de la característica tensión-corriente.

En general la característica de una célula fotovoltaica es función de tres variables fundamentales: intensidad de la radiación solar, temperatura y área de la célula. La intensidad de la radiación solar no tiene un efecto significativo sobre el valor de la tensión en vacío; al contrario, la intensidad de la corriente de cortocircuito varía de manera proporcional al variar la intensidad de la radiación, aumentando al aumentar ésta.
La temperatura no tiene un efecto significativo sobre el valor de la corriente de cortocircuito; al contrario, existe una relación de proporcionalidad entre ésta y la tensión en vacío, disminuyendo la tensión al aumentar la temperatura. El área de la célula no tiene algún efecto sobre el valor de la tensión; al contrario, existe una proporcionalidad directa entre ésta y la corriente disponible.

En condiciones de cortocircuito la corriente generada es máxima (Isc), mientras que cuando el circuito está abierto es máxima la tensión (Voc). En condiciones de circuito abierto y de cortocircuito la potencia extraible será nula, porque en la relación P = V x I será nula la corriente en el primer caso y la tensión en el segundo. En los otros puntos de la característica al aumentar la tensión aumenta la potencia, alcanzando de esa manera un máximo y disminuyendo de repente en proximidad de la Voc.

La producción de las células fotovoltaicas
Los procesos de producción de las células fotovoltaicas son muy diferentes según el tipo de célula que se quiere realizar.
Las mayores diferencias dependen de la formación de la placa de silicio, llamada "oblea", que es la estructura principal sobre la que se realizan varios tratamientos, especialmente químicos, que llevan a la creación de la verdadera célula.

La oblea de monocristal es producida por el método Czochralski, basado en la cristalización de una "semilla" de material purísimo, que es introducido en el silicio líquido y luego extraído y enfriado lentamente para obtener un "lingote" de monocristal, de forma cilíndrica (de 13 a 30 cm de diámetro y 200 cm de altura). Éste es dopado P introduciendo el boro. Luego se seccionan los lingotes en obleas de espesor comprendido entre 250 y 350 micrómetros.

La oblea de policristal es producida por la fusión y la sucesiva recristalización de los desperdicios de silicio de la industria electrónica ("scraps" de silicio). De esta fusión se obtiene un "pan" que es cortado verticalmente en lingotes con forma de paralelepípedo. Un sucesivo corte horizontal permite crear rebanadas de espesor semejante al de las células de monocristal (250 - 350 micrómetros).
Con respecto al monocristal, la oblea de policristal permite un rendimiento interesante a menor costo.
  • Para que la oblea llegue a ser una verdadera célula fotovoltaica, es necesario (tanto para el mono como para el poli):
  • "pulirlo" con un baño de sosa
  • introducir en el material átomos de fósforo (es el dopado de tipo N), para que se realice la "unión P-N". Esto se consigue haciendo pasar lentamente las rebanadas en un horno, que "difunde" en el material ácido ortofosfórico, que contiene efectivamente los átomos de fósforo necesarios;
  • tras aplicar una sutil capa antirreflectante (dióxido de titanio, TiO2), se realizan, por serigrafía o electrodeposición, los contactos eléctricos anteriores (una rejilla metálica que recogerá las cargas eléctricas) y posteriores (una superficie continua, ésta también metálica);
  • a este punto la célula es "testada" por medio de una simulación de las condiciones estándar de insolación (1000 W/m² a 25°C con espectro AM1,5), para poderla clasificar y agrupar junto a células con las mismas características eléctricas. Este pasaje es muy importante para evitar realizar módulos con células muy diferentes entre sí, que llevarían a una drástica reducción de las prestaciones del módulo fotovoltaico.
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