Ingenier

Diseño de una celda solar, propiedades ópticas. Pérdidas ópticas, pérdidas por recombinación. Diseño de los contactos.
Msc. Lídice Vaillant Roca
Diseño de las celdas solares
Diseño básico de una celda solar
Para diseñar apropiadamente una celda solar es necesario especificar los parámetros de la estructura de la celda solar, de manera tal que se maximice la eficiencia, teniendo en cuenta unaserie de limitantes. A su vez, dichas limitantes estarán dadas por los objetivos específicos de uso que tendrá el dispositivo, lo que se define por el ambiente de trabajo en que se producen. Las celdas solares producidas a nivel industrial tienen como objetivo esencial aumentar la eficiencia reduciendo el costo de las mismas, mientras que aquellas que se producen a nivel de laboratorio, donde lainvestigación se concentra en los problemas físicos fundamentales, la atención se concentra en fabricar celdas de alta eficiencia, sin importar demasiado su costo. Otro ejemplo importante son las celdas de uso espacial, que se producen teniendo en cuenta su peso, considerado el factor crítico en estos casos.
El límite de eficiencia teórica para la conversión fotovoltaica supera el 90%, pero parallegar a estos valores, se deben hacer muchas consideraciones físicas, difíciles o imposibles de cumplir desde el punto de vista práctico, dadas las presentes tecnologías y niveles de comprensión del dispositivo físico. Para celdas solares de silicio operando bajo un sol de potencia luminosa, una eficiencia más realista estaría en el orden de 26 al 28 %. La eficiencia máxima medida para una celdasolar de silicio en estos momentos es de 24.7 %, bajo el espectro solar AM1.5G. Para las celdas solares en base a CdTe, CIS y GaAs, las eficiencias récord alcanzadas son 16 %, 18.2 % y 25.1 %, respectivamente.
La diferencia entre las altas eficiencias teóricas y las eficiencias medidas para celdas solares terrestres se debe principalmente a dos factores. El primero es que las predicciones demáxima eficiencia teórica asumen que la energía de cada fotón es óptimamente usada, lo que significa la no existencia de fotones no absorbidos y que cada fotón se absorbe en un material cuyo ancho de banda prohibida es igual a la energía del fotón. En teoría, es posible obtener este resultado modelando una estructura de infinitos materiales de diferentes anchos de banda prohibida, cada uno absorbiendosolamente los fotones que corresponden con el valor exacto de su ancho de banda prohibida. El segundo factor proviene de asumir una alta razón de concentración luminosa. Considerando que los efectos de la temperatura y la resistencia no son dominantes en una celda solar con concentración luminosa, el incremento de la intensidad de la luz incrementa proporcionalmente la corriente de cortocircuito. Al mismo tiempo, debido a que el voltaje de circuito abierto depende de esta última, el Voc se incrementará logarítmicamente con los niveles de iluminación, hasta llegar a un valor de saturación proporcional a Eg/q. Además, como el factor de llenado (FF) máximo se incrementa con el Voc, el máximo valor posible de FF también se incrementa con la concentración. Los valores extras de Voc y FF quese incrementan con la concentración permiten a los sistemas concentrados alcanzar altas eficiencias (principalmente a costa de un incremento importante en la corriente de corto circuito).
Los principios fundamentales para diseñar celdas solares de alta eficiencia son:
* Incrementar la cantidad de luz colectada por la celda que produce pares de portadores.
* Incrementar la colección deportadores fotogenerados por la juntura p-n.
* Minimizar la corriente oscura en inversa
* Extraer la corriente de la celda sin pérdidas por resistencia.
* Propiedades ópticas.
Pérdidas ópticas
Las pérdidas ópticas se deben a luz que pudo haber generado pares de electrón-hueco pero no lo hizo, ya sea porque se reflejó en la superficie frontal del dispositivo, en algunas de las...