Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Guía del curso “Energía Solar Fotovoltaica” Profesor: Ing. José Antonio Conejo Badilla IE-1103 Grupo 003 I-2011 1 Cuarta parte EL EFECTO FOTOVOLTAICO Y LA CELDA SOLAR Los dispositivos donde se lleva a cabo la transformación de luz solar en electricidad se llaman generadores fotovoltaicos y a la unidad mínima en la que se realiza dicho efecto se le llama Celda Solar. A la integración de generadores fotovoltaicos y aparatos consumidores de electricidad (cargas eléctricas) se les llama Sistemas Fotovoltaicos. El Efecto Fotovoltaico se puede definir corno la generación de una fuera electromotriz en los terminales de un dispositivo, cuando éste es iluminado. Si a los terminales del dispositivo se le conecta una carga eléctrica, ésta se activará debido a la corriente eléctrica que pasa a través de él. Esta es la evidencia física del efecto fotovoltaico. La celda solar representa la unidad mínima de conversón de potencia eléctrica en un generador fotovoltaico. La corriente y el voltaje eléctricos generados son del tipo directo (corriente directa, CD); no de corriente alterna (CA). Las celdas solares se fabrican a partir de materiales semiconductores y metales, presentando analogías eléctricas comunes con otros dispositivos electrónicos de estado sólido tales como los diodos, transistores y circuitos integrados. Se puede decir que una celda solar es un dispositivo semiconductor optoelectrónico que convierte la Iuz en electricidad. La generación de potencia eléctrica en las celdas solares es pequeña, lo cual hace necesario que se tengan que interconectar varias entre sí, para incrementar la potencia, formando así los módulos fotovoltaicos. LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES Primero se debe considerar que el efecto fotovoltaico se manifiesta cuando los fotones inciden sobre ciertos materiales semiconductores. Los materiales semiconductores se caracterizan por tener un comportamiento intermedio entre los materiales conductores como los metales y los materiales aislantes. Los materiales conductores disponen de electrones libres y los materiales aislantes carecen de ellos. A la temperatura de 0°K los materiales 37 semiconductores se comportan como aislantes, pero mediante una aportación de energía puede modificarse esta situación, adquiriendo un comportamiento más cercano al de los conductores. Se trata de elementos del grupo IV de la tabla periódica, o bien combinaciones de elementos de los grupos III y V, que se caracterizan por tener una resistividad comprendida entre 10-6 y 108 Ωm y que bajo ciertas circunstancias son capaces de crear una fuerza electromotriz. Algunos semiconductores son elementos químicos puros, como por ejemplo el boro, el silicio y el selenio y, otros son compuestos químicos como el arseniuro de galio. En la tecnología microelectrónica son de uso común el silicio, el germanio y el arseniuro de galio y de todos ellos, el más empleado actualmente es el silicio. En el proceso de conversión de energía solar, la utilización de estos materiales permite que la luz se convierta en electricidad en forma directa, sin pasar antes por un estado de energía térmica. Las celdas fotovoltaicas son las únicas que poseen una absorción óptica muy alta y una resistencia eléctrica lo suficientemente baja como para poder convertir económicamente, la energía solar en energía útil. Gracias a la elección de semiconductores con un intervalo de absorción espectral apropiado, podemos seleccionar un material que abarque el espectro solar. El elemento que actualmente proporciona el mayor rendimiento es el silicio, gracias a la característica de respuesta espectral que posee este material, como se muestra en la figura 28. “Tendencias Tecnológicas y Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos”, Zilles R. Figura 28. Distribución espectral de la radiación solar. 38 Las celdas fotovoltaicas de silicio monocristalino y policristalino tienen su máxima reacción espectral en la zona infrarroja del espectro solar, mientras que las celdas de silicio amorfo tienen su máxima reacción en el espectro de luz visible, tal como se aprecia en la siguiente figura. “Taller Techo Solar”, Linsenmeyer Aswin, SUNSET Energietechnik GmbH Figura 29. Reacción espectral de las celdas fotovoltaicas de silicio. En relación a la máxima eficiencia teórica del proceso de conversión de la energía solar fotovoltaica para los diferentes materiales disponibles en la actualidad, el silicio podría lograr un valor máximo inferior al 30%. Otros materiales como el Arseniuro de Galio o el Telurio de Cadmio tienen los valores máximos de eficiencia, cercanos al 32%. La expectativa de las investigaciones y desarrollos que actualmente se realizan, permite estimar que muy probablemente dentro de 10 años se pueda alcanzar una eficiencia de 32% en la fabricación de los dispositivos de conversión de energía solar fotovoltaica. Esto se describe gráficamente en la figura 30. Entonces resulta importante comprender el fenómeno fotovoltaico en relación al proceso que sucede dentro de un semiconductor. Cuando se aplica un voltaje entre los extremos de un material, dentro de este se crea un campo eléctrico que provoca una fuerza sobre los electrones ubicados en la órbita exterior del átomo de ese material. En materiales conductores como el cobre, el aluminio o el grafito, los electrones de la banda externa tienen mucha movilidad; aún a la temperatura ambiente están brincando 39 electrones de átomo a átomo. Bajo la acción de un campo eléctrico, su fuerza pone en movimiento a dichos electrones. “Taller Techo Solar”, Linsenmeyer Aswin, SUNSET Energietechnik GmbH Figura 30. Eficiencias fotovoltaicas teórica máxima. En materiales aislantes, como el vidrio, el diamante o la porcelana, la fuerza que se ejerce sobre los electrones de la órbita externa no es suficiente para desplazarlos y establecer una corriente, aún con elevados valores del campo eléctrico. Esto se debe a que la su movilidad es prácticamente nula. La estructura atómica de la sustancia es la que determina la movilidad de las cargas en la misma, o sea la conducción o no-conducción del material. En substancias como el germanio y el silicio los electrones de la capa exterior del átomo son compartidos por átomos adyacentes formando una estructura cristalina, cuyos electrones carecen de movilidad. Por esta razón estas sustancias en estado puro son aislantes. Sin embargo, estas sustancias cristalinas se pueden convertir en semiconductores si a se le incorporan átomos de otras substancias o impurezas, aún en proporciones muy pequeñas, provocando que la conductividad de estos materiales varía drásticamente. 40 Si la impureza que se introduce tiene la capacidad de aportar o ceder electrones, éstos se convierten en la carga mayoritaria en esa zona. Si, por el contrario, los átomos de la substancia que se introduce son ávidos de electrones, la mayoría de los átomos en esta zona tendrán cargas positivas libres, también conocidas como “huecos” (lugares vacíos dejados por los electrones al emigrar éstos a otras posiciones). Se identifican entonces dos tipos de semiconductores según su capacidad para ceder o retener electrones, los de tipo N y los de tipo P. Al ponerse en contacto un cuerpo cristalino semiconductor de tipo N con otro de tipo P se crea una unión P-N, la cual posee unas propiedades especiales. Tanto los electrones en exceso del semiconductor N como los huecos del P tienden a difundirse a través de la superficie común de separación, penetrando un poco al otro lado de dicha frontera. “Taller Techo Solar”, Linsenmeyer Aswin, SUNSET Energietechnik GmbH Figura 31. Región de carga en la unión N-P. BANDA DE VALENCIA Y BANDA DE CONDUCCION Como se muestra en la figura 28, el silicio tiene una respuesta al espectro de la radiación solar tal que permite un aprovechamiento del 80% de esa energía para convertirla en electricidad fotogenerada. Esta característica junto con su abundante disposición en la superficie terrestre, hacen que este material sea muy utilizado en el desarrollo de celdas fotovoltaicas. 41 Esta respuesta se relaciona con el comportamiento de la radiación electromagnética tanto como una serie de ondas y que como un haz o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck: [6] donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la onda. El valor de la constante de Planck es: Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda λ y la frecuencia de oscilación f están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío): En consecuencia, a mayor longitud de onda menor frecuencia y menor será la energía según la relación de Plank. De lo anterior podemos establecer que la energía de un componente determinado de longitud de onda es inversamente proporcional a la longitud de onda y está dada por la siguiente relación: [7] En la siguiente figura se puede apreciar la relación que existe entre la energía del espectro de radiación solar y la respuesta de silicio para captar dicha energía y liberar sus electrones de la banda de valencia. Los componentes de la radiación solar con longitudes de onda menores a 1.1 µ tienen la energía suficiente para excitar los electrones de la banda de valencia del átomo de silicio y provocar su salto a la banda de conducción. La banda de valencia se define como el más alto de los intervalos de energías electrónicas que se encuentra ocupado por electrones en el cero absoluto. En los materiales semiconductores y aislantes existe una banda prohibida o gap por encima de la banda de valencia, seguida por una banda de conducción a energías aún mayores. En los metales, por el contrario, no hay ningún intervalo de energías prohibidas entre las bandas de valencia y de conducción. 42 “Tendencias Tecnológicas y Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos”, Zilles R. Figura 32. Relación entre el espectro de la radiación solar y la energía necesaria para generar el salto del electrón. Las propiedades de la banda de valencia explica la baja conductividad eléctrica de semiconductores y aislantes. En estos se da la circunstancia de que el número de electrones es exactamente el mismo que el número de estados disponibles o “huecos” en la banda de valencia. En la banda prohibida, evidentemente, no hay estados electrónicos disponibles. Esto significa que cuando se aplica un campo eléctrico los electrones no pueden incrementar su energía (es decir, no pueden ser acelerados) al no haber estados disponibles donde puedan moverse. Los materiales aislantes se caracterizaban por poseer una Banda Prohibida muy ancha, la cual impide el paso de electrones de la Banda de Valencia a la de Conducción. En los materiales semiconductores, la Banda Prohibida es mucho menos ancha que en los aislantes. Por lo general, a 0º K los materiales semiconductores se comportan como aislantes. Pero a medida que aumenta la temperatura aumenta también su capacidad de conducción, ya que este aporte de energía sirve para que los electrones puedan saltar de la Banda de Valencia a la de Conducción. La anchura de la Banda Prohibida condiciona la energía que debe aportarse a los electrones para que pasen de la Banda de Valencia a la de Conducción, saltando la Banda Prohibida. El aporte de energía debe superar los 0,785 eV (Electrón - Voltios) en el caso del germanio y los 1,21 eV para el silicio. Al saltar de la Banda de Valencia a la de Conducción, los electrones dejan un hueco, por lo tanto, se establecen dos corrientes: una producida por 43 los electrones situados en la Banda de Conducción y otra originada por los huecos (en el proceso de recombinación). Además, los estados disponibles o huecos que dejan los electrones en la banda de valencia contribuyen también a la conductividad del material, al permitir cierta movilidad al resto de electrones de la banda de valencia. “Tendencias Tecnológicas y Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos”, Zilles R. Figura 33. Esquema del proceso de la corriente fotogenerada Cuando un fotón de energía superior a la de la banda prohíbida (1.21 eV en el silicio) choca contra contra la región tipo P, puede excitar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, dejando un hueco en la banda de valencia, la cual ya es rica huecos. Algunos electrones liberados por lo fotones se recombinarán con los huecos, pero otros emigrarán a la unión. Desde allí serán acelerados a la region tipo P debido al campo eléctrico de la región comprendida entre la doble capa de carga, lo cual originará un exceso de carga negativa en la región tipo N y un exceso de carga positiva en la región tipo P. Como cada semiconductor es su totalidad un cuerpo eléctricamente neutro, esta difusión dé electrones y huecos, debida a la diferente concentración de unos y otros en cada lado de la superficie, hará que el semiconductor N se cargue positivamente y el P negativamente. Como resultado se tiene una diferencia de potencial entre las dos regiones de algunas décimas de voltio (de unos 0.6 V en la práctica), dando lugar a un campo eléctrico que restablece el equilibrio y evita que continúe el flujo de los electrones y huecos. Este proceso se representa esquemáticamente en la figura 33. El campo eléctrico interno es creado al unir íntimamente a un semiconductor fabricado con exceso de electrones (semiconductor negativo ó tipo N) con otro fabricado con deficiencia 44 de electrones (semiconductor positivo ó tipo P). La unión P-N entre estos dos semiconductores se le conoce como diodo rectificador de corriente. “Tendencias Tecnológicas y Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos”, Zilles R. Figura 34. Disposición de los materiales semiconductores tipo N y tipo P que forman una celda fotovoltaica. Las impurezas comúnmente utilizadas para dopar el material de silicio de la celda fotovoltaica son el Fósforo para el semiconductor tipo N y el Boro para el tipo P. La celda fotovoltaica estaría completa cuando se conecte un conductor para cerrar un circuito externo, obteniéndose así una corriente eléctrica para su utilización práctica. Está claro que esta energía eléctrica proviene de los fotones de la luz, por lo que la corriente cesará en cuanto la luz se elimine. HISTORIA DE LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 1839: Como punto de partida se considera a Edmund Bequerel, físico francés que descubre el efecto fotovoltaico cuando experimentaba con dos electrodos metálicos en una solución conductora, al notar un aumento de la generación eléctrica con la luz. 1873: Willoughby Smith descubre el efecto fotovoltaico en materiales sólidos, en el selenio. 1877: W.G. Adams y R.E. Day producen la primera célula fotovoltaica de selenio. 1904: Albert Einstein publica su artículo sobre el efecto fotovoltaico, al mismo tiempo que un artículo sobre la teoría de la relatividad 45 1921: Einstein gana el premio Nobel por sus teorías de 1904 explicando el efecto fotovoltaico (recibe el premio y lee el discurso en Gotemburgo-Suecia, en 1923) 1954: Los investigadores D.M. Chaplin, C.S. Fuller y G.L. Pearson de los Laboratorios Bell en Murray Hill, New Jersey, producen la primera célula de silicio, publican el artículo “A New Silicon p-n junction Photocell for converting Solar Radiation into Electrical Power” y hacen su presentación oficial en Washington (26 abril). 1955: Se le asigna a la industria americana la tarea de producir elementos solares fotovoltaicos para aplicaciones espaciales. Hoffman Electronic, empresa de Illinois (EE.UU.) ofrece células del 3% de 14mW a 1.500 $/Wp) 1958: El Vanguard I inaugura el uso espacial de células solares. El Spunik III le sigue tres semanas después. 1954: Pearson, Chaplin y Fuller (Laboratorio de Bell Telephone) Celda de Si; eficiencia > 5%; 286 $/W 1957: Hoffman Electronic alcanza el 8 % de rendimiento en sus celdas 1958: El 17 de marzo se lanza el Vanguard I, el primer satélite alimentado con energía solar fotovoltaica. El satélite lleva 0,1 W en una superficie aproximada de 100 cm2, para alimentar un transmisor de respaldo de 5 mW, que estuvo operativo 8 años. La Unión Soviética, muestra en la exposición Universal de Bruselas sus células fotovoltaicas con tecnología de silicio. 1959: Hoffman Electronic alcanza el 10 % de rendimiento en sus celdas comerciales. 1962: Se lanza el primer satélite comercial de telecomunicaciones, el Telstar, con una potencia fotovoltaica de 14W. 1963: Sharp consigue una forma práctica de producir módulos de silicio. En Japón se instala un sistema de 242 W en un faro, el más grande en aquellos tiempos. 1964: El navío espacial Nimbus se lanza con 470 W de paneles fotovoltaicos. 1966: El observatorio astronómico espacial lleva 1 kW de paneles solares. 1977: La producción de paneles solares fotovoltaicos en el mundo es de 500 kW. 46 1980: ARCO Solar (después Siemens, después Shell Solar) es la primera empresa con una producción industrial de 1 MW de módulos al año. BP entra en el mercado fotovoltaico este año. 1983: La producción mundial excede los 20 MW. 1994: Se celebra la primera Conferencia Mundial fotovoltaica en Hawai. 1998: Se celebra la segunda Conferencia Mundial fotovoltaica en Viena. Se alcanza un total de 1000 MWp de sistemas fotovoltaicas instalados. 2002: Se producen más de 500 MWp de generadores fotovoltaicos en un año. 2003: Se celebra la tercera Conferencia Mundial fotovoltaica en Japón y continúa el desarrollo sostenido, al contar con el apoyo de la sociedad y las administraciones de los países desarrollados. 2008: Se producen 7900 MW de generadores fotovoltaicos en un año. TIPOS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS Los materiales que se usan normalmente en el proceso de obtención de electricidad fotovoltaica son el silicio, el selenio y el galio, aunque también comienzan a utilizarse otros materiales diversos monocristalinos, policristalinos e incluso amorfos. El mercado actual está basado en las celdas solares de silicio cristalino (obtenido a partir de arena), debido a que Ia tecnología de elaboración de éste semiconductor es muy conocida y se considera madura y confiable. Las celdas solares y módulos fotovoltaicos elaborados con silicio cristalino han mostrado una vida útil mayor de 20 años, alcanzándose una eficiencia máxima de conversión en una celda solar de silicio monocristalino 24.7%. Para reducir los costos de fabricación de los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino se han substituido las celdas solares monocristalinas de silicio por celdas policristalinas, debido a que el proceso de elaboración de este material es más económico que los mononocristales, aunque su eficiencia sea un poco menor. 47 Película delgada (Thin Film) Actualmente se tiene una amplia variedad materiales semiconductores fabricados en película delgada, cuyas características ópticas y eléctricas los califican como buenas opciones para construir celdas solares. Un fuerte impulso ha recibido la investigación y desarrollo tecnológico del silicio amorfo, debido a lo cual se encuentra en el mercado celdas solares en película delgada basadas en silicio amorfo, material que es más barato producirlo en comparación con el silicio cristalino, pero con una eficiencia de conversión que apenas llega al 10%. El inconveniente de este material es que sufre debido un efecto de degradación progresiva de su eficiencia. Su uso es muy común y se puede encontrarlas en relojes, calculadoras, sistemas de señalización y hasta módulos de 64W de potencia. Otros compuestos semiconductores en película delgada que han sido considerados para aplicaciones fotovoltaicas son el telurio de cadmio (CdTe) y el cobre-Indio-diselenio (CulnSe2). Las celdas solares elaboradas con estos compuestos podrán satisfacer la combinación requerida de bajo costo y eficiencia de conversión aceptable. Existen otras clases de celdas solares basadas en monocristales de compuestos semiconductores tales como el arseniuro de galio (GaAs) ó fosfuro de indio (InP), materiales cuya elaboración es muy cara pero que satisfacen los requerimientos de alta eficiencia y bajo peso, características que las hacen ideales para las aplicaciones espaciales. Para este tipo de aplicaciones donde se busca bajo peso y alta eficiencia, la relación costo/beneficio es pequeña. PROCESOS DE FABRICACION La tecnología de elaboración de celdas solares puede elaborarlas en película delgada del orden de 1 µm de espesor, o gruesas del orden de cientos de micras de espesor. Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza. El lingote es rebanado en forma de placas delgadas llamadas obleas. El espesor típico usado es del orden de 300 µm (0.3 mm). La celda solar es un diodo rectificador de corriente y está formada por la unión íntima de dos capas de silicio, una con exceso de electrones (capa tipo N ó negativa) y la otra con deficiencia de electrones (capa tipo P o positiva). 48 Una parte muy pequeña del espesor de la oblea (del orden de 0.5µm) es contaminada con átomos de fósforo, elemento que al sustituir al silicio cede electrones al material, formando la capa tipo N. El resto de la oblea es contaminado con átomos de boro, induciendo deficiencia de electrones formando la capa tipo P, Estas capas forman dentro de la oblea y cerca de la superficie que recibirá la luz solar, un campo eléctrico interno, el cual es el responsable de separar las cargas fotogeneradas positivas (huecos) y negativas (electrones). Sobre la cara de la oblea expuesta la luz, se coloca un enrejado metálico muy fino (titanio/paladio/plata) para colectar los electrones fotogenerados y extraer la corriente eléctrica. Este es el terminal negativo donde se encuentran acumulados los electrones fotogenerados. Sobre este enrejado se conecta uno de los conductores del circuito exterior. Bajo la cara posterior se coloca una capa metálica, usualmente de aluminio/plata que corresponderá al terminal positivo, donde se acumulan las cargas positivas. Sobre esta capa se conecta el otro conductor del circuito exterior. La superficie se texturiza y se recubre la celda con una película antireflejante para disminuir Ia reflexión superficial y atrapar más luz. Las celdas solares de silicio monocristalino presentan un color negro a la reflexión debido al proceso de texturización. Las celdas policristalinas no se pueden texturizar, y el color que reflejan con la luz del día es debido al antirreflejante. “Energías Renovables. Tema Energía Fotovoltaica”, Carlos Oreamuno Figura 35. Corte transversal de una celda comercial de silicio cristalino. 49 Para la producción de celdas de silicio monocristalina se requiere un material semicondutor de alta pureza. Lingotes monocristalinos de silicio son extraidos de silicio fundido luego cortados en rodajas semiconductoras. Este complejo proceso de producción asegura una eficiencia relativamente alta. Las celdas monocristalinas también garantizan estabilidad de potencia nominal a largo plazo. La potencia nominal de las celda se mantiene casi igual durante su vida útil. Las celdas monocristalinas suministran un rendimiento de energía más alto que otros tipos de celdas bajo condiciones de luz difusa, por ejemplo con cielo nublado. La producción de celdas policristalinas de silicio es más rentable. El silicio líquido es vertido en bloques que posteriormente es cortado en rodajas semiconductoras. Cuando el bloque se solidifica se forman estructuras cristalinas de diferentes tamaños. Las variaciones de la estructura cristalina resultan en un rendimiento de las celdas un poco más bajo. Por su forma cuadrada, las celdas solares aprovechan mejor el espacio disponible en los módulos solares. Por lo tanto, los módulos solares policristalinos pueden alcanzar casi el mismo rendimiento por área que los módulos monocristalinos. 50 Las celdas solares se llaman celdas amorfas o celdas de película delgada cuando una película de silicio es aplicada al vidrio o algún otro sustrato. La película delgada tiene un grosor de menos de 1µm (el grosor de un pelo del ser humano es de 50 – 100 µm), así que los gastos de producción se reducen por ser menores los gastos de material. Las celdas solares amorfas utilizan una variedad diferente del espectro solar, lo cual las hace efectivas aún en condiciones de baja luz. En combinación con el coeficiente de temperatura excepcionalmente bajo, eso resulta en rendimientos anuales de energía comparables o superando a los de los módulos de silicio cristalino, dependiendo por supuesto del clima en el lugar de instalación. Especialmente en climas calientes, muchas veces la celdas amorfas pueden se utilizadas en una gran variedad de diseños y aplicaciones interesantes. 51 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Dunlop James P., “Photovoltaic Systems”, American Technical Publishers, Inc., 2010 2. Oreamuno Carlos, “Energías Renovables. Tema Energía Fotovoltaica”, Instituto Tecnológico de Costa Rica, 2003 3. 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