Generaciones de módulos fotovoltaicos Resumen
Este artículo está dirigido a la información y al conocimiento básico del desarrollo e impacto en la innovación innovación de energía solar con aplicación aplicación a dispositivos dispositivos fotovoltaicos, fotovoltaicos, vinculados vinculados a la investigación, investigación, el desarrollo, la producción y las generaciones desarrolladas de sistemas fotovoltaicos. Los cuales tienen como base la utilización de fuentes de energía autosustentable compatible con el ecosistema, por lo cual también está dirigido a profesionales vinculados a la conservación del medio ambiente. Así como también contribuir a la conciencia de consolidar una cultura sobre las energías renovables y en particular de la fotovoltaica, que permita despertar el necesario interés por la utilización de estas fuentes alternas de energía.
Introducción
La historia de la humanidad ha estado ligada, de manera manera indiso indisolub luble, le, al con consum sumoo de energía energía.. Desa De sarr rrol ollo lo tecn tecnol ológ ógic icoo y bien bienes esta tarr soci social al implican mayor consumo energético, por lo que resulta sencillo preguntarnos, ¿en que sentido evolucionará esta relación? La respuesta resulta triv trivia ial. l. El cons consum umoo cada cada vez vez crec crecie ient ntee de energía no podrá ser satisfecho por las llamada fuentes tradicionales basadas en los combust combustibl ibles es fósiles fósiles:: carbón, carbón, gas y petról petróleo, eo, por lo que estas fuentes deberán ser paulatinamente sustituidas por otras fuentes, que a su vez sean renovables. La solución de este problema presupone además que las nuevas fue fuentes sea sean compati atibles con el medio ambiente y permitan un desarrollo sostenible para la humanidad. Entre las propuestas de las nuevas fuentes de energías, el Sol ocupa un lugar de extraordinaria importancia, en lo que se refiere a la cantidad de energía que recibimos de él, así como a las posibilidades concretas de aplicación directa e indirectas de la tecnología solar: solar: cale calenta ntami mient entoo de agua agua,, dest destil ilaci ación, ón, seca secado do de prod produc ucto toss agrí agríco cola las, s, coci cocina na,, refrige refrigeraci ración ón y climat climatiza ización ción,, ilumi iluminaci nación, ón, conversión en energía eléctrica y biomasa. Todas estas tecnologías tienen una incidencia dire direct ctaa en cual cualqu quie ierr paí país que que reci reciba ba una una adecu adecuad adaa radi radiac ació iónn solar solar prome promedi dioo anu anual al,, y muy en espe especi cial al en los paí países ses en vías vías de desarrollo.
Para ilustrar lo anterior daremos algunos datos referentes a las características del Sol: Edad: 4500 millones de años Tiempo de vida: 5000 millones de años Diámetro: 1.39 millones de kilómetros Temperatura superficial: 6000K Longitud de onda correspondiente al pico de emisión: 0.475 nm La densidad de energía solar promedio en la atmó atmósf sfer eraa terr terres estr tree es 1,36 1,3677 W/m W/m2, valor conocido como constante solar, cuyo espectro corresponde corresponde al del cuerpo negro a 5627 °C. Sin embargo después de atravesar la atmósfera y debido a la absorción, reflexión, difusión, etc., este valor se reduce en la superficie terrestre a nivel del mar a 1,0 KW/m2. Si consideramos que la superficie proyectada de la Tierr Tierraa es aproxi aproxima madam dament entee 1,24 1,24.10 .1014 m2 enton entonces ces la po pote tenc ncia ia reci recibi bida da por la Tierr Tierra, a, proveniente del Sol, es aproximadamente 1.24x1014 KW, que representa 35000 veces el consumo mundial en un año, y es 500 veces mayor que el equivalente energético suministrado por todas las demás fuentes de energía juntas (incluidas (incluidas la nuclear, nuclear, geotérmica geotérmica y gravitacional). Con la energía solar que recibe la península Aráb Arábic icaa cada cada año, año, se ob obti tien enee el do dobl blee del del equi quivale alente ener nergético de las res reserv ervas mundi mundial ales es de petról petróleo eo.. La superf superfic icie ie de la 1
Tierra recibe en 30 minutos una cantidad de energía solar equivalente al consumo energético mundial en un año. Bastaría la tercera parte de la superf superfic icie ie de Egip Egipto to para para sumi sumini nist stra rarr de energía eléctrica a todo el Planeta.
La Energía Fotovoltaica comparada a otras tecnol tecnologí ogías as generad generadora orass de electr electrici icidad, dad, es muy recien reciente, te, con los primer primeros os dispos dispositi itivos vos fotovoltaicos con utilidad práctica realizados en los años cincuenta.
La aplicación de la tecnología solar requiere todav odavíía la solu soluci ción ón de algu alguno noss aspe aspect ctos os económicos, por ejemplo, el costo inicial de la instalación comparada con las tradicionales, sin
Primeros Dispositivos Fotovoltaicos.
embargo el costo de funcionamiento es mucho mas reducido. En la act actual ualidad idad los prob proble lem mas que que se evidencian en el desarrollo de la energía solar a escala tecnológica son: -Por tratarse de una tecnología relativamente nuev nueva, a, no exi existe ste la sufi sufici cien entte cul cultura ura y cono conoci cimi mien ento toss resp respec ecto to a su capa capaci cida dad d y utilización. - Las instalaciones solares (en gran parte de los casos) no son fáciles de obtener de manera comercial y a gran escala. -El costo inicial de la instalación es alto si se compara con sus similares, a causa de que las tecnol tecnologí ogías as son, son, en su mayorí mayoría, a, de caráct carácter er expe experi rime ment ntal al y de prot protot otip ipo, o, y no exis existe ten n producciones seriadas.
La histor historia ia apun apunta ta a Edmond Edmond Becque Becquerel rel 1 com como el pri primero ero en dem demost ostrar rar el efec efecto to fotovoltaico. Trabajando en el laboratorio de su padre a los 19 años de edad, él logró generar electricidad a partir de iluminar un electrodo con difer diferen ente tess tipo tiposs de fuent fuentes es lumi luminos nosas, as, incluso utilizando la del Sol, como se muestra en la figura 1. Los mejores resultados fueron obtenidos cuando los electrodos utilizados se cubri cub rier eron on con con mate materi rial ales es sensi sensibl bles es a la luz luz como AgCl o AgBr y estos fueron irradiados con luz azul o ultravioleta. Aunque normalm normalment entee él usaba usaba electr electrodos odos de platin platino, o, también logró observar pequeñas señales con electrodos de plata. Como consecuencia de sus resultados Becquerel encontró un uso para el efec fecto fot fotovo ovoltaico, desar sarrol rollando un "actinó "actinógra grafo" fo" qué se utiliz utilizóó para regist registrar rar la temperatura de los cuerpos calientes midiendo la intensidad de la luz emitida por ellos.
La Energía fotovoltaica
La Ener Energí gíaa Foto Fotovo volt ltai aica ca es el proc proces esoo de convertir la Energía del Sol directamente en electricidad mediante una celda solar. La celda fotovoltaica, elemento encargado de transformar la energía solar en eléctrica, se basa en un fenóm fenómen enoo físi físico co deno denomi minad nadoo efect efectoo fotovoltaico, que consiste en la producción de una fuerza electromotriz por acción de un flujo luminoso que incide sobre la superficie de dicha celda. Hoy en día, este tipo de energía se encuentra creciendo a un ritmo muy acelerado y es una import portan ante te alt alterna ernati tiva va “ren “renov ovab ablle” a la gener neración de electrici riciddad a par partir de combustible fósiles convencionales.
Fig.1 Diagrama Fig.1 Diagrama del equipo equipo descrito por Becquerel (1839) (con permiso de C. Honsberg y S. Bowden) 1
El próximo desarrollo fotovoltaico significativo que que desp despeertó gran ran interés fue fue el efect ecto fot fotoco oconduct uctivo del sel seleni enio. Mientras ras investigaban este efecto, Adams y Day (1877) 2
notaron una anomalía que ellos pensaron podría ser explicada por la generación de un voltaje interno. Ellos investigaron más cuidadosamente esta esta anomalí anomalía, a, utili utilizand zandoo para ello, ello, muestra muestrass como como la menc mencio iona nada da más más adel adelant ante. e. Fuero Fueronn colocados contactos de platino calentados en los extremos de un cilindro pequeño de selenio vidrioso. El objetivo del experimento dirigido por Adams y Day en estas muestras, era observar si podía ser posible el paso de una corri corrien ente te por por el seleni selenioo solo solo produ product ctoo de la acción de la luz.
Fig.2 Geometría de la muestra usada por Adams y Day (1876) para la investigación del efecto fotoeléctrico en selenio. (con permiso permiso de C. Honsberg y S. Bowden) 1 .
El resultado era positivo. Ésta fue la primera demo demost strac ració iónn del del efec efecto to foto fotovo volt ltai aico co en un sistema con todos sus componentes de estado sólido. sólido. Adams Adams y Day atribuyeron atribuyeron las corrientes fotogeneradas a la cristalización inducida por la luz luz en las las capa capass exte exteri rior ores es de la barr barraa de selenio. Varias décadas tuvieron que pasar antes del desarrollo de la física que permitió explicar una visión de este proceso. El próximo paso significativo ocurrió siete años después con el trabajo de Fritts (1883) 2 . Fritts fue capas de preparar capas (películas) delg delgad adas as de selen selenio io comp comprim rimie iend ndoo seleni selenioo fundido entre dos placas de metales diferentes, que adhirió a uno de las dos placas, pero no a la otra. Sobre la superficie de selenio expuesta, presionó una lamina de oro, y de esta forma él preparó por primera vez dispositivos fot fotovol ovolttaico aicoss de pel películ culas delg delgas as.. Esto Estoss primeros dispositivos a películas delgadas eran de 30 cm2 de área.
Fig.3 Estructura Estructura del dispositivo dispositivo a capas delgadas fabricado desarrollado desarrollado por Fritts en 1883. (con permiso permiso de C. Honsberg y S. Bowden) 1 .
Fritts fue también el primero en reconocer el potencial enorme de los dispositivos fotovo fotovolt ltai aico cos. s. Él vio vio que esto estoss dispo disposi siti tivos vos podían fabricarse a un costo muy bajo y notó, que la corriente producida si no se usaba de inme inmedi diat ato, o, po podí díaa acum acumul ulars arsee en bater batería íass o podría ser transmitida a distancias donde podía po día utilizarse o acumularse. Sin embargo, no fue hasta casi cincuenta años después, que ocurrió otro estallido significativo en esta esta área área.. Mient Mientra rass estu estudi diaba abann el efect efectoo fotoco fotocond nduct uctiv ivoo en capa capass de óx óxid idoo cupro cuproso so crecidas sobre cobre, fue descubierta la acción rect rectif ific icad ador oraa de la un unió iónn del del cobr cobree-óx óxid idoo cuproso. Esto llevó al desarrollo de rectificadores de áreas grandes, seguido poco desp despué uéss po porr foto fotoce celd ldas as de área áreass gran grande des. s. Grondahl describió el desarrollo de ambos tipos de dispositivos. La figura 4 muestra una estructura muy simple, usada para las primeras celdas basadas en la unión del cobre-óxido cuproso. Esta actividad parece también haber despertado un gran interés en el selenio como material fotovoltaico. En particular, particular, Bergmann reportó reportó mejora mejorass en dispositivos de selenio en 1931 3 .
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Fig.4 Primeras Primeras celdas fotovoltaicas fotovoltaicas de cobre-óxido cobre-óxido cuproso Grondahl-Geiger (hacia 1927). (con permiso de C. Honsberg y S. Bowden) 1 .
Estos dispositivos dispositivos demostraron ser superiores superiores a los basados en cobre y se volvieron el producto comercialmente dominante.
Fig.5 Estructura Estructura del dispositivo dispositivo fotovoltaico fotovoltaico más eficiente desarrollado durante los años 1930. (con permiso de C. Honsberg y S. Bowden) 1 .
Generaciones de Celdas Solares
En la actualidad las celdas solares se pueden clasi clasifi fica carr en cuatr cuatroo tipo tiposs de gen gener eraci ación ón,, las las cuales brevemente hablaremos de ellas. Primera Generacion de Celdas Solares
La mayoría de las celdas solares que en la actu actual alid idad ad se vend venden en en el merc mercad adoo está estánn basadas en obleas de silicio, llamada tecnología de “primera generación”.
Fig.6 Paneles Paneles solares basados en celdas solares de de obleas de silicio, también llamadas celdas solares de primera generación
En la década de los 80 las investigaciones en celda celdass solare solaress de sili silici cioo creci creciero eronn de forma forma apreciable lo que permitió un aumento en su eficiencia. En el año 1985 las celdas solares de silicio lograron el pico del 20% de eficiencia. Est Esto fue fue debi debido do fund fundam amen enttalm almente ente a la introducción de nuevos procesos tecnológicos como: 1. Text Textur urad adoo supe superf rfic icia iall para para dism dismin inui uirr la reflectancia espectral. 2. Capas antirreflejantes acoplamiento óptico superficial.
con mejor y pasivación
3. Introdu Introducci cción ón del Campo Eléctrico Eléctrico Posterio Posterior r (BSF), para la disminución de la recombi recombinaci nación ón en el contact contactoo posteri posterior or y com como cam campo defl deflec ecttor de po port rtad ador ores es minoritarios, para el aumento de la longitud de difusión efectiva de dichos portadores. 4. Difusi Difusiones ones bien localiza localizadas das en la superfici superficiee superior, con el fin de aumentar la respuesta de las celdas en el azul, o sea, en la zona de longitudes de onda cortas o de altas energías. La tecnología dominante en esa época en las celdas celdas indust industria riales les fue la serigr serigráfi áfica, ca, la cual permitía disminuir los costos, gracias a su fácil 4
auto autom mati atizaci zación ón y gran grande dess vol volúmen úmenes es de producción. Como esta Como esta tecn tecnol olog ogía ía ya es una una tecn tecnol olog ogía ía madura, su costo total está dominado en gran medida por los costos del material, es decir, los de la oblea de silicio y los encapsulantes. Sin embargo embargo,, los paneles paneles industr industrial iales es basados basados en celd celdas as de prim primera era gene generac ració iónn difí difíci cilm lment entee tendrán eficiencias por encima del 20-21%. Segunda Generacion de Celdas Solares
Durante la década de los 80 apareció la llamada tecnología fotovoltaica de segunda generación, la cuál consistente en la obtención de celdas solare solaress media mediant ntee la tecn tecnol ologí ogíaa de pelí pelícu cula lass delg delgad adas. as. Indep Indepen endi dien ente teme ment ntee del del mate materi rial al semiconductor empleado, las películas delgadas ofrec ofrecen en una una gran gran reduc reducci ción ón en el cost costoo del del material por la eliminación del costo de la oblea de silicio. La tecnología de película delgada también ofrece otras ventajas como una mayor área área por por unid unidad ad de fabr fabric icac ació ión, n, o sea, sea, un incremento del área de una oblea de silicio, (~ 100 cm2) hasta la de una lámina de vidrio (~ 1 m2), cerca de 100 veces mayor. Con respecto a la efic eficie ienc ncia ia se espe espera ra que que en el futu futuro ro la tecnología de segunda generación se aproxime más a las eficiencias de la primera generación. Mientras está tecnología vaya madurando, sus costos stos será erán dominad nados por los de sus mate materi rial ales es cons consti titu tuyyente entes, s, en este este caso caso la película de cubierta superior y otros encapsulantes. Durant Dura ntee la déca década da de los los 90, 90, la indu indust stri riaa fotovoltaica experimentó crecimientos estables entre el 15% y el 20%, promovidos fundamentalmente por el suministro al mercado de instalaciones remotas. Ya en el nuevo siglo la indus ndusttria ria fot fotovol ovolttaica aica incre ncrem ment entó su producción de celdas solares y módulos fotov fotovol olta taico icoss hast hastaa los los 527. 527.14 14 MW, MW, lo que que repr repres esen enta ta un crec crecim imie ient ntoo del del 35 % con con respecto a igual periodo del año 2001 (390.5 MW). Mejoramientos en los diseños ópticos de las celdas, particularmente en la habilidad de captar
longitudes de ondas que se absorben débilmente, tiene también un interés creciente, particularmente en las celdas solares so lares basadas en esta tecnología de película delgadas de silicio policristalino, teniendo estas últimas, ventajas sobre otros candidatos fotovoltaicos a películas delgadas, por su bajo costo, poca cont ontaminació ción y fác fácil autom utomaatización ción industrial. También También las celdas solares a películas películas delgadas policristalinas de compuestos III-V, II-VI y sus aleaci aleaciones ones han avanza avanzado do grandem grandement entee en la pasada década creando nuevos n uevos paradigmas para par a las tecnologías del futuro.
Fig. 7 Un ejemplo ejemplo de la tecnología tecnología de película delgada o tecnología de segunda segunda generación. Módulo basado en silicio policristalino policristalino depositado depositado sobre vidrio.
Parece probable que una tecnología tecnología de segunda generación ya madura podrá desplazar la de primera generación en los próximos próx imos años. Para progresar más en esa área, la eficiencia de conversión debe s er aumentada sustanci sustancialm almente ente.. La termod termodinám inámica ica muestra muestra que el límite en la conversión de la luz solar en electricidad es del 93%, en contraste con el límite límite superior para la eficiencia eficiencia de conversión conversión de una celda solar de una unión simple que es 5
del del 31% 31% 4 . Esto nos hace ver que el rendimi rendimiento ento de las celdas celdas solares solares podría ser mejo mejora rado do en dos dos o tres tres vece vecess si dife difere rent ntes es conceptos fundamentales fueran usados en su diseño para producir finalmente finalmente un producto producto de terc tercer eraa gene genera raci ción ón,, de bajo bajo cost costoo y alto alto rendimiento. Podrí Podríaa hab haber er un gran gran impa impact ctoo econó económi mico co si estos nuevos conceptos pueden ser implem plemen enttados dos en la forma rma de películas delgadas, hacie ciendo que la conve nversión sión fotovoltaica sea una de las opciones más baratas para la producción de energía.
Hay un meca Hay mecani nism smoo de pérdi pérdida da adic adicio iona nall cuando los portadores cruzan la juntura y las regiones de los contactos (procesos 2 y 3 de la figura 3) asegurando que el voltaje de salida sea menor que el potencial del gap.
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Finalm Finalment entee está está la recombi recombinaci nación ón de los portadores a través de toda la celda, la cual resta corriente de la fotocorriente intrínsecame intrínsecamente nte generada. En la mayoría de los casos casos prácti prácticos, cos, esta esta recomb recombina inació ciónn ocurre ocurre a través de centros centros de recombinación recombinación provocados provocados por defectos o impurezas no deseadas en el semiconductor. •
Pérdidas de energía en una celda solar
En la figura 8 se muestra el diagrama de energía de una una celd celdaa sola solarr de junt juntur uraa p-n p-n está estánd ndar ar incluyendo las principales pérdidas de energía cuan cuando do es ilum ilumin inad ada. a. A cont contin inua uaci ción ón los los enumeraremos: En una una celd celdaa sol solar est estánda ándar, r, la luz luz es absorbida absorbida excitando un electrón electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. El electrón de la banda de conducción y el hueco de la banda de valencia rápidamente pierden cualquier exceso de energía recibido del fotón, que esté por encima del valor de energía de la banda prohibida (gap), relajando hacia los bordes de sus respectivas bandas (proceso de termali termalizaci zación ón de los portador portadores). es). Solame Solamente nte este mecanismo de pérdida (proceso 1 de la figura 8) limita la eficiencia de conversión a un 44% cuando la celda esta construida con un semiconductor que tenga el gap óptimo. •
Además Adem ás de estas estas pérdi pérdida dass de energ energía ía en la celd celda, a, tamb tambié iénn po pode demo moss cons consid ider erar ar la no absorción absorción de energías energías del espectro espectro solar debido a que no son absorbidas por el material por tener energí rgías menores res que el gap del semiconductor. Para una celda con el gap óptimo operando a un voltaje óptimo, se ha calculado que la eficiencia lími límite te está está alred alreded edor or del 33%. 33%. Las Las mejo mejores res celdas de homojuntura de GaAs y de silicio exper exp erim iment ental ales es logra lograda dass hast hastaa el mome moment ntoo cumplen los límites de este análisis y tienen eficiencias de alrededor del 25% 5 .
Tercera Generación de Celdas Solares
Celdas Tandem. Una manera de superar los lími límite tess de rend rendim imie ient ntoo impu impues esto toss po porr las las inef inefic icie ienci ncias as de la figur figuraa 8 reduc reducie iendo ndo las las pérdidas del proceso 1 mediante el uso de mas de una celda en el proceso de conversión [6].
Fig. 8 Diagrama Diagrama de bandas de una celda solar de homojuntura p-n que muestra los principales mecanismos de pérdida.
Esto se hace subdividiendo el espectro solar en dife diferen rente tess rangos rangos de ener energí gíaa y convi convirt rtie iendo ndo cada rango por una celda que tenga un gap
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óptimo para el mismo como se puede apreciar en la figura 9a.
misma corrie riente, nte, las celdas pued ueden ser ser simplemente conectadas en serie. Esta es una importante simplificación en la práctica ya que solo harían falta dos contactos exteriores para cada celda tandem. En el límite teórico en que la celda tandem teng tengaa un nú núme mero ro infi infini nito to de celd celdas as en su interior, los cálculos arrojan que la eficiencia límite es del 68%, el doble de la eficiencia límite de las celdas de homojuntura.
Fig. 10 Celda Celda tandem espacial monolítica.
Fig. 9 Diferentes Diferentes conceptos para para celdas tandem: tandem: (a) división del espectro; espectro; (b) apilamiento de celdas celdas (cell stacking).
Afortunadamente este filtrado se puede hacer también también si las celdas son simplemente simplemente apiladas una encima de la otra, como en la figura 9b. Si ponemos la celda de mayor energía de banda prohibida o gap encima, esta absorberá los fotones de mayor energía, permitiendo a los fotones de menor energía pasar a través de ella hasta las celdas inferiores, ordenadas de manera que el gap de ellas vaya en sentido decreciente. Además, si las celdas son diseñadas de manera que cada una absorba el mismo numero de fotones, para asegurar que cada una genere la
El tipo de celda solar tandem ya se ha usado comercialment comercialmentee de manera amplia en dos áreas dife diferen rente tes. s. Una es en la indu indust stri riaa espac espacia ial, l, donde la tecnología epitaxial III-V se ha usados para construir celdas de alto rendimiento. Con est estas cel celdas das se han han ob obtteni enido efic eficiienci encias as terrestres por encima del 30% con estructuras como la mostrada en la figura 10. La otra aplicación de las celdas tandem es en celdas de aleaciones de SiGeH amorfas. En estas celdas se usa usa un métod étodoo mono monolí líti tico co pare pareci cido do al anteri anterior or con con celda celdass de capa capass muy muy delg delgad adas, as, obteni obteniénd éndose ose un rendimi rendimient entoo modest modesto, o, pero muy estable a partir de este material de calidad baja. Celdas solares con múltiples pozos cuánticos y celdas solares de tres niveles.
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La celda solar con múltiples pozos cuánticos (MQW (MQW), ), tal tal com como fue fue prop propue uest staa en [7], [7], se muestra en la siguiente figura.
introducidas en la zona intrínseca del diodo p-in, tal y como se muestra en la figura 11. Para Para qu quee esta estass pelí pelícu cula lass nano nanomé métr tric icas as de mater ateriial tenga engann las las prop propie ieda dade dess qu quee se necesitan en este tipo de aplicación, su espesor debe estar en un rango de 1 a 10 nm. Al introducir este material con gap menor que el de la celda la estructura de bandas del sistema pozo celda queda como se muestra en la figura 12 . .
Fig. 11 La celda celda solar con pozos cuánticos.
La celda solar con MQW no es más que una estructura p-i-n, o sea una juntura p-n con una zona de material no dopado, o intrínseco, entre las las regi region ones es p y n de la junt juntur ura. a. Ello Ello nos nos permite tener una zona de carga espacial muy gran grande de pues pues la regi región ón int intríns rínsec ecaa que que se encuentra entre las zonas p y n está bajo el campo eléctrico interno de la unión, por lo que todos los portadores generados en esa zona de la celda son automáticamente separados.
Fig. 12 Esquema Esquema de la estructura estructura p-i-n con pozos pozos cuánticos (franjas blancas) dentro de su región intrínseca.
Los pozos cuánticos no son mas que películas nanométricas de un material con una energía de gap menor que el de la celda, que son
Fig. 13 Esquema Esquema de bandas de un pozo cuántico en un semiconductor, Eg Eg Celda Celda es la energía del gap de la Celda o semiconductor donde introducimos la lasca de material, y Eg Pozo es la energía del gap de la lasca de material introducido, introducido, donde donde Eg Pozo
Si la película nanométrica del material de pozo introducido tiene el rango de espesor requerido, la zona de energía dentro de sus bandas de valencia y de conducción que se encuentra por dentro de las bandas de valencia y conducción del material de la celda, solamente tiene varios niveles de energía permitidos en los que pueden encontrarse el electrón y el hueco, tal y como se puede apreciar en la figura 13. 13 . Al utilizar una estructura como la anterior en una celda solar tenemos la ventaja de poder abso absorb rber er regi region ones es del del espe espect ctro ro sola solarr con con 8
energías menores que las del gap de la celda, por lo que obtendremos una mayor fotocorriente y por lo tanto una mayor corriente de cort cortoc ocir ircu cuit itoo con con respe respect ctoo a la celd celdaa sin sin pozos. Desafortunadamente hay una caída en el volt voltaj ajee a circ circui uito to abie abiert rtoo ya que que exis existe te un incremento de la recombinación con respecto a la celda sin pozos, debido a que no todos los portadores fotogenerados pueden salir de los pozos cuánticos y recombinan, como se puede apre apreci ciar ar en el esqu esquem emaa de la figu figura ra 11. 11. El objetivo de los estudios en este tipo de celdas es encon encontr trar ar los los parám parámet etro ross ópti óptimo moss para para los los cuales el aumento de la fotocorriente supere a la caída en el voltaje a circuito abierto de manera que obtengamos un incremento en la eficiencia de la celda con respecto a la celda sin pozos.
con MQW se han desarrollado teorías sobre otro nuevo tipo de celda, la llamada celda de tres tres nive nivele less o celd celdaa de mult multib iban anda da [7]. [7]. El esquema de la estructura de bandas de este nu nuev evoo enfo enfoqu quee se mues muestr traa en la figu figura ra 16 16,, donde solo las bandas superior (de conducción) e inferior (de valencia) están conectadas a los contact contactos os exteri exteriores ores.. La princi principal pal dificu dificulta ltadd conceptual está en encontrar la posición de la banda intermedia dentro de la banda prohibida para obtener la eficiencia óptima. Se ha predicho que el pico de eficiencia se obtiene cuando la distancia entre las dos bandas mas cercanas es de 0.7 eV, y 1,9 eV entre las dos más alejadas con un valor del 63,2%.
Existen modelos teóricos en los que se obtienen valores óptimos para celdas solares con MQW y uno de sus resultados principales se muestra en la siguiente figura.
Fig. 15 Diagrama Diagrama de bandas de la celda multibanda, donde además se muestra las diferentes transiciones posibles de los portadores entre las las mismas.
Fig. 14 Gráfico Gráfico de eficiencia eficiencia contra el gap del material de pozo donde Eg CELDA CELDA es el gap de la celda, Lw es el ancho de los pozos, pozos, N es el número número de pozos en la región intrínseca y υ es la velocidad de recombinación superficial en las las interfases de los pozos. El ancho ancho de la zona intrínseca es es de 1µm [1,2]. [1,2].
La forma de poder lograr esta banda intermedia es creando una alta concentración de impurezas de un mismo tipo que cree una banda energética dentr den troo del del gap, gap, aun aunqu quee tamb tambié iénn usan usando do las las celd celdas as de MQW MQW se pu pued edee logr lograr ar el mism mismoo efecto siguiendo el esquema de la figura 17.
No obstante, la celda con MQW ha sido objeto de abundante discusión acerca de su verdadera posibilidad de mejorar la eficiencia de las celdas solares convencionales. Estimulada por esta discusión, entre los detractores de la celda 9
entre ellos en una serie de estados superiores e infe inferi riore ores, s, pero pero no con con la red crist cristal alin ina, a, de mane manera ra qu quee su ener energí gíaa sea sea siem siempr pree much muchoo mayor que la del gap del material. Esto nos lleva lleva al concept conceptoo de contact contactos os select selectivo ivoss de energía, donde solo para los contactos de la celda pasarían los portadores fotogenerados con determinadas energías. Fig. 16 Diseño Diseño de una celda con MQW operando como como una celda solar de tres niveles.
Como se muestra en la figura, el nivel básico creado en el pozo cuántico actúa como el nivel de energía intermedio. Uno de los procesos que mayormente influyen en la diferencia entre la eficiencia límite de una celda basada en un semiconductor homogéneo que es del 33% y el 93% del límite de eficiencia termodinámi termodinámico, co, es la pérdida de energía energía debida a la rápi rápida da term termal aliza izaci ción ón de los los port portad adore oress fotogenerados a energías cercanas al borde de las bandas (proceso 1 de la figura 8). En la figura 18 se muestra un posible esquema que evita estas pérdidas, llamado celdas solares de portadores calientes [1].
Fig. 17. Celda Celda solar de portadores portadores calientes, donde donde los portadores son extraídos extraídos a energías selectivas [1].
En estas celdas, la extracción de los portadores se real realiizarí zaríaa a ener energí gías as espe especí cífi fica cas, s, los portadores fotogenerados pueden termalizar
Esto Esto también también se podría podría implem implementa entarr usando usando estructuras semiconductoras de baja dimensión, como los pozos cuánticos citados ante anteri rior orme ment nte. e. Otra Otra mane manera ra de redu reduci cirr la pérdida de energía en la absorción absor ción de la luz, que es a través de la conversión termofotovoltaica. En este este tipo tipo de conv conver ersi sión ón,, el ob obje jeti tivo vo es reducir el promedio energético de los fotones que inciden en la celda. En la conversión termofotovoltaica [5], la luz sola solarr (o el calo calorr de algu alguna na otra otra fuen fuente te)) es absorbida en un receptor, luego este receptor irradia energía a una celda fotovoltaica. Aunque mucho de los fotones que irradia el receptor no pueden ser absorbidos por la celda, idealmente, ellos pueden ser reflejados reflejados por la celda hacia el receptor, ayudando a mantener su temperatura. Como resultado, esos fotones no son necesariamente desperdiciados. Un esquema de este concepto se puede apreciar en la siguiente figura.
Fig. 18 Conversión Conversión termofotovoltaica. termofotovoltaica.
Para esta aplicación, se necesita un material con un gap pequeño, ya que la temperatura de la fuente es mucho menor que la del Sol. Las 10
celd celdas as con con MQW MQW vuel vuelve venn a ser ser una una buen buenaa opción, porque al introducir los pozos cuánticos en el material de mayor gap se obtienen niveles energéticos a través de los cuales es posible absorber la radiación térmica. Celdas Solares de Cuarta Generación
En esta cuarta generación de celdas solares, se necesita un material con un gap pequeño y los tipos de substratos son flexibles con la ventaja de poder ser manipulados de una manera más eficiente, en las cuales se tiene la venta de un bajo costo, esto es debido a la manera de poderlas producir, en donde se reducen los costos debido a que no es necesario de un sistema de vacío para su fabricación, así como la obtención de las celdas solares a temperatura ambi ambient ente. e. En esta esta cuart cuartaa gener generac ació iónn se dan dan celd celdas as sola solare ress orgá orgáni nica cass foto fotovo volt ltái áica cas, s, de polímeros orgánicos capaces de obeceder al efecto efecto fotovol fotovoltai taico. co. Se pronost pronostica ica que estos estos dispositivos dispositivos fotovoltaicos fotovoltaicos podrán ser utilizados utilizados de forma forma líqui líquida, da, estos estos materi materiale aless plásti plásticos cos podrían convertirse en una pintura que gener generarí aríaa energ energía ía sola solarr para para un edif edific icio io,, o paneles ultradelgados para todo tipo de disp disposi ositi tivos vos elec electr tróni ónico coss o para para la ropa. ropa. La investigación de base para esta generación se está supervisando y dirigiendo por parte de la DAR DA RPA2 PA2 (Def (Defen ense se Ad Adva vanc nced ed Rese Resear arch ch Proj Projec ects ts Ag Agen ency cy)) para para dete determ rmin inar ar si esta esta tecnología es viable o no. Entre las compañías que se encuentran trabajando en este cuarta gener generac ació iónn se encu encuent entra rann Xsunx Xsunx,, Kon Konark arkaa Tech Techno nolo logi gies es,, Inc. Inc.,, Na Nano noso sola lar, r, Dy Dyes esol ol y Nanosys. Conclusiones
Después de leer este trabajo, podemos apreciar que el desarrollo en la obtención de celdas solares va de la mano con la investigación que se ha ido rea realizando sob sobre la física de semic semicon onduc ducto tores res,, en donde donde las las propi propied edade adess ópti óptica cass y eléc eléctr tric icas as son son de prio priori rida dad. d. Ha Hayy suficientes opciones para el mejoramiento del rendimiento de las celdas solares más allá de
los límites de la celda de simple juntura, este rendimiento superior es muy posible que sea logrado en algún momento del futuro. Aunque Aunq ue aun nos encon encontr tram amos os en un unaa época época temprana para el desarrollo de las celdas solares de tercera y cuarta generación, podemos notar que para un gran número de aplicaciones las estructuras de baja dimensionalidad, como los pozos cuánticos, tienen un gran potencial, para, par a, posiblemente, duplicar su eficiencia de conversión. En este este mome moment ntoo esta estass estr estruc uctu tura rass está estánn alentando un completo replanteamiento de la teoría fundamental de la operación de las celdas sola solare res, s, con con algu alguno noss conc concep epto toss teóri eórico coss novedosos que están saliendo a la luz, en esta etapa tan temprana. También durante los últimos años la Industria Foto Fotovo volt ltai aica ca (PV) (PV) se mant mantie iene ne crec crecie iend ndo, o, incrementándose la producción global de celdas y módulos en un 35 %. La década pasada vio incrementarse incrementarse la producción de celdas solares y módulos módulos fotovoltaico fotovoltaicoss hasta los 390.54 MW, el crec recimiento nto en la produc ducción mundial dial fotovol fotovoltai taica ca ha seguido seguido una ley exp exponen onencia ciall creciente, lo cual habla por si solo del auge mundial que ha tenido este producto. Hoy en día la industria PV se encuentra muy concentrada, con un 86 % de la producción mundial en manos de 10 grandes productores o sea sea 46 462. 2.77 MW. MW. Las Las comp compañ añía íass japo japone nesa sass Kyocera, Sharp, Sanyo y Mitsubishi son de las más más comp compro rome meti tida dass a nive nivell mund mundia iall en la elaboración de celdas solares, otras empresas Shell Solar Astropower RWE(ASE), Isofotón, Photowat también hacen relucir su aparición en la induxtria fotovoltaica mundial. En cuanto a las producciones mundiales por materiales, hoy en día, día, el merca mercado do mundi mundial al fotovo fotovolt ltai aico co de celdas y módulos se mantiene dominado en un 80% (421.63 MW) por las obleas de silicio cristalinas, mientras en el sector de las películas delgadas delgadas el silicio silicio amorfo tiene el 8.62 % (45.3 MW). Durante el 2010 se produjeron solamente 0.85 MW de celdas y módulos en estructuras CIS y 2.53 MW en Cadmio Telurio, todo esto 11
para el 0.69% de la producción mundial de celdas y módulos fotovoltaicos. Del resto de los materiales materiales los más importantes importantes son el silicio en form formaa de cint cintaa y el sil silici icio amor amorfo fo sobr sobree subs substtrat ratos cri cristal staliinos nos con con un 8.1% 8.1% de la producción mundial. Lo anterior apunta, a que seguirán dominando por algunos años más en el mercado mundial fotovoltaico las producciones de celdas solares y paneles fotovoltaicos sobre la base de obleas de silicio cristalinos 7 . Aunque la energía Aunque energía fotovol fotovoltai taica ca no sustit sustituya uya prontamente de forma completa a la energía convencional a partir de combustibles fósiles, en muchas ocasiones, ella se vuelve competitiva durante los periodos de los picos de máxima demanda. A $10 por watt instalado (asumiendo 25 años de vida útil), los costos de generación de electricidad para fotovoltaicos son de $0.35 por Kwh, lo cual está por debajo de los costos que frecuentemente exceden los $0.40 por Kwh y que en ocasiones han sido mucho más altos de la generación de energía. Esto significa que un porcentaje relativamente pequeño de potencia eléctrica eléctrica a partir de plantas plantas fotovoltaicas fotovoltaicas puede ejercer una presión descendente poderosa en el pico de los precios contribuyendo con potencia a la red eléctrica cuando la demanda es más alta. Los costos para instalaciones comerciales más grandes (5 a 20 KW) de plantas fotovoltaicas son de casi $6.00 por Wp lo cual da un costo de $0.21 por Kwh. Poniendo esto a la foto fotovo volt ltai aica ca dent dentro ro de los los cost costos os de la gener neración de electrici ricida dadd por por medios convencionales.
Referencias
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