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Fotovoltaica: Electricidad solar y células solares en teoría y práctica

Edit:Wenzhou Xihe Electric Co., Ltd.   Date:Aug 28, 2015

La palabra   Fotovoltaico   Es una combinación de la palabra griega para Luz y el nombre del físico Allesandro Volta. Identifica la conversión directa de la luz solar en energía mediante células solares. El proceso de conversión se basa en el efecto fotoeléctrico descubierto por Alexander Bequerel en 1839. El efecto fotoeléctrico describe la liberación de portadores de carga positiva y negativa en estado sólido cuando la luz golpea su superficie.

¿Cómo funciona una célula solar?

Las células solares se componen de varios materiales semiconductores. Los semiconductores son materiales que se convierten en conductores eléctricos cuando se suministran con luz o calor, pero que funcionan como aislantes a bajas temperaturas.

Más del 95% de todas las células solares producidas en todo el mundo están compuestas por el material semiconductor Silicio (Si). Como el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, el silicio tiene la ventaja, de estar disponible en cantidades suficientes, y además procesar el material no carga el medio ambiente. Para producir una célula solar, el semiconductor está contaminado o "dopado". El "dopaje" es la introducción intencionada de elementos químicos, con los cuales se puede obtener un exceso de portadores de carga positivos (capa semiconductora conductora de p) o portadores de carga negativa (capa conductora de semiconductores n) del material semiconductor. Si se combinan dos capas de semiconductor contaminadas de manera diferente, entonces se produce una denominada unión pn en el límite de las capas.

  • Modelo de una célula solar cristalina

En esta unión, se construye un campo eléctrico interior que conduce a la separación de los portadores de carga que son liberados por la luz. A través de contactos metálicos, se puede utilizar una carga eléctrica. Si el circuito externo está cerrado, lo que significa que un consumidor está conectado, entonces la corriente directa fluye.

Las células de silicio son de aproximadamente 10 cm por 10 cm de ancho (recientemente también 15 cm por 15 cm). Una película antirreflectante transparente protege la célula y disminuye la pérdida reflexiva en la superficie celular.

Características de una célula solar

  • Corriente-tensión de una célula si-solar

El voltaje utilizable de las células solares depende del material semiconductor. En el silicio asciende a aproximadamente 0,5 V. El voltaje del terminal es sólo débilmente dependiente de la radiación luminosa, mientras que la intensidad de la corriente aumenta con una mayor luminosidad. Una celda de silicio de 100 cm2, por ejemplo, alcanza una intensidad máxima de corriente de aproximadamente 2 A cuando se irradia por 1000 W / m².

La salida (producto de electricidad y voltaje) de una célula solar es dependiente de la temperatura. Las temperaturas más altas de las células conducen a una menor producción y, por lo tanto, a una menor eficiencia. El nivel de eficiencia indica cuánto de la cantidad radiada de luz se convierte en energía eléctrica utilizable.

Diferentes tipos de células

Se pueden distinguir tres tipos de células según el tipo de cristal: monocristalino, policristalino y amorfo. Para producir una célula de silicio monocristalino es necesario un material semiconductor absolutamente puro. Varillas monocristalinas se extraen de silicio fundido y luego se aserran en placas delgadas. Este proceso de producción garantiza un nivel relativamente alto de eficiencia.  
La producción de células policristalinas es más rentable. En este proceso, el silicio líquido se vierte en bloques que son posteriormente aserrados en placas. Durante la solidificación del material, se forman estructuras cristalinas de tamaños variables, en cuyos bordes surgen defectos. Como resultado de este defecto de cristal, la célula solar es menos eficiente.  
Si una película de silicio se deposita sobre vidrio u otro material de sustrato, se trata de una llamada célula de capa amorfa o delgada. El grosor de la capa es inferior a 1 μm (espesor de un cabello humano: 50-100 μm), por lo que los costes de producción son menores debido a los bajos costes de material. Sin embargo, la eficiencia de las células amorfas es mucho menor que la de los otros dos tipos de células. Debido a esto, se utilizan principalmente en equipos de baja potencia (relojes, calculadoras de bolsillo) o como elementos de fachada.

Material

Nivel de eficiencia en% Lab

Nivel de eficiencia en% Producción

Silicio monocristalino

Aprox. 24

14 a 17

Silicio policristalino

Aprox. 18

13 a 15

Silicio Amorfo

Aprox. 13

5 a 7

De la celda al módulo

Para que las tensiones y salidas adecuadas estén disponibles para diferentes aplicaciones, las células solares individuales se interconectan para formar unidades más grandes. Las células conectadas en serie tienen un voltaje más alto, mientras que las conectadas en paralelo producen más corriente eléctrica. Las células solares interconectadas suelen estar embebidas en acetato de vinilo transparente de etileno, equipado con un marco de aluminio o acero inoxidable y cubierto con vidrio transparente en la parte frontal.

Las potencias típicas de tales módulos solares están entre 10 Wpeak y 100 Wpeak. Los datos característicos se refieren a las condiciones de ensayo estándar de 1000 W / m² de radiación solar a una temperatura de 25 ° Celsius. La garantía estándar del fabricante de diez o más años es bastante larga y muestra los altos estándares de calidad y la esperanza de vida de los productos actuales.

Límites Naturales de Eficiencia

  • Niveles máximos teóricos de eficiencia de varias células solares en condiciones estándar

Además de optimizar los procesos de producción, también se está trabajando para aumentar el nivel de eficiencia, con el fin de reducir los costes de las células solares. Sin embargo, diferentes mecanismos de pérdida están estableciendo límites en estos planes. Básicamente, los diferentes materiales semiconductores o combinaciones son adecuados sólo para rangos espectrales específicos. Por lo tanto, una parte específica de la energía radiante no puede ser utilizada, porque los quántos de luz (fotones) no tienen suficiente energía para "activar" los portadores de carga. Por otro lado, una cierta cantidad de energía de fotones excedentes se transforma en calor más que en energía eléctrica. Además de eso, hay pérdidas ópticas, tales como la sombra de la superficie de la célula a través del contacto con la superficie de vidrio o la reflexión de los rayos entrantes en la superficie de la célula. Otros mecanismos de pérdida son las pérdidas de resistencia eléctrica en el semiconductor y el cable de conexión. La influencia perturbadora de la contaminación del material, los efectos superficiales y los defectos del cristal, sin embargo, también son significativos.  
Los mecanismos de pérdidas únicas (los fotones con muy poca energía no se absorben, el excedente de energía del fotón se transforma en calor) no pueden mejorarse más debido a los límites físicos inherentes impuestos por los propios materiales. Esto conduce a un nivel teórico máximo de eficiencia, es decir aproximadamente 28% para el silicio cristalino.

Nuevas direcciones

Estructuración de superficie para reducir la pérdida de reflexión : por ejemplo, construcción de la superficie celular en una estructura piramidal, de modo que la luz entrante choca con la superficie varias veces. Material nuevo: por ejemplo, arseniuro de galio (GaAs), telururo de cadmio (CdTe) o selenuro de cobre indio (CuInSe²).

Células en tándem o apiladas : con el fin de poder utilizar un amplio espectro de radiación, se dispondrán unos materiales semiconductores diferentes, que se adaptan a rangos espectrales diferentes, uno encima del otro.

Células concentradoras:   Una mayor intensidad de luz se centrará en las células solares mediante el uso de sistemas de espejo y lente. Este sistema rastrea el sol, siempre usando radiación directa.

MIS Inversión Capa de células:   El campo eléctrico interno no se produce por una unión pn, sino por la unión de una capa delgada de óxido con un semiconductor.

Células de Grätzel:   Células líquidas electroquímicas con dióxido de titanio como electrolitos y colorantes para mejorar la absorción de la luz.

Texto e ilustraciones utilizadas con el permiso de la Fundación Alemana para la Energía Solar (Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie eV)

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