"Los Paneles Fotovoltaicos"

1. Introducción Histórica

1.1. 1839 Edmond Becquerel publico un trabajo sobre una bateria que utilizaba electrodos de plata.

1.1.1. 1877 Dos profesores de Cambridge detectaron propiedades electricas del selenio cuando era expuesta a la luz solar.

1.1.2. 1884 C.F. Fritts E.U. patento una celula solar de selenio recubierta con hilo de oro y una caoa de vidrio como protección.

1.2. 1900 aparecieron los fundamentos para la compresion teorica denominado fotovoltaico para los logros anteriores con la teoria cuantica de Planck.

1.2.1. 1948 aparecieron los transistores por Bardeen y Brattain utilizando silicio cristalino ligeramente dopado con boro y fosforo.

1.2.2. 1954 se crea la 1°ra celula fotovolaica de silicio, con la ayuda de los fisicios anteriores ademas de Chapin, Fuller y Pearson; trabajaban en el estudio de las propiedades de los semiconductores.

1.3. Dicha célula se utilizo para suministrar corriente eléctrica a un amplificador telefónico rural.

1.3.1. 1958 su desarrollo mas rapido comenzo al ser empleadas para el sumistro de corriente al transmisor de radio de satelite americano.

1.3.2. Hoy en dia, las células fotovoltaicas se emplean en las industrias electrónicas y aeroespacial, en telecomunicaciones y en suministro de corriente eléctrica a poblaciones.

2. Fundamentos fisicos del funcionamiento de una heterounion

2.1. Una celula fotovoltaica esta formada por dos finas laminas de material semiconductor de tipo p-n; n=pierde electrones; P=gana electrones.

2.1.1. Employee

2.1.2. Employee

2.2. Teoria electronica de la conductividad de los solidos: Los atomos aislados distribuyen sus electrones en niveles de energia en los que caben 2 electrones con espines contrarios.

2.2.1. La distancia energética entre los niveles moleculares llenos de la banda de valencia y vacíos de la banda de conducción es el orden de 10-22 eV mucho menor que la energía térmica a la temperatura ordinaria.

2.2.1.1. Es decir si número relativamente elevado de electrones dispondrá de un gran número de niveles a través de los que moverse. Esto significa que la conductividad del solido formado será elevada.

2.2.2. Loa intervalos de energías prohibidas se forman a través de los semiconductores y aislantes cuando están separadas por una distancia energética, en la que no existen niveles electrónicos

2.3. Los materiales dependen de la anchura del intervalo de energías prohibidas: >3-4 eV aislantes 0.5-3 eV semiconductores

3. Niveles energéticos en semiconductores intrínsecos. modelos de los pozos de potencial.

3.1. Para describir las bandas que aparecen al formarse un cristal de semiconductor se adopta la representación del átomo por medio de un embudo de potencia que representación de la energía del sistema como función de la distancia al núcleo.

3.1.1. Para el caso de un átomo hidrogenoide que está formado por z cargas positivas en el núcleo y un electrón en la corteza, se utiliza la ecuación de Schrödinger.

3.1.2. En ella se representa la masa reducida de z protones y un electrón, la carga del electrón, el número de protones en el núcleo, el número cuántico principal, la constante dieléctrica del vacío y la constante de Planck

3.1.2.1. Los semiconductores intrínsecos el número de portadores de carga negativos, n, es igual al de huecos, p. la generación térmica de pares de electrón-hueco en un semiconductor intrínseco aumenta exponencialmente al incrementar la temperatura.

3.2. Semiconductores intrínsecos bajo iluminación l (intensidad luminosa)

3.2.1. Cuando se ilumina un semiconductor intrínseco con fotones de energía igual o mayor que el intervalo de energías prohibidas, estos fotones son absorbidos por el retículo lo que hace que se rompan enlaces.

3.2.2. Los enlaces rotos provoca que la energía se desprende en forma de calor esto incrementa la energía a la red en forma de calor.

4. Formación de las bandas de valencia y de conducción en semiconductores intrínsecos.

4.1. Los cuatro electrones de valencia se distribuyen entre los cuatro orbitales, de manera que, en el momento de formación de cristal sólido, los átomos individuales presentan una configuración electrónica que se puede escribir como n(sp3)4.

4.1.1. El solapamiento entre orbitales y el enlace más estable, se produce cuando 4 átomos, con sus orbitales de valencia igualmente hibridados, se acercan en las direcciones de los vértices del tetraedro.

4.1.2. La estructura de las bandas de los cristales con simetría tetraédrica se forma a partir d los elementos carbonoides, donde se obtienen distribuciones como la del diamante.

4.2. A medida que aumenta el número de capas de los elementos en el grupo, la distancia entre bandas disminuye, y aumenta la constante de red, a, para el cristal.

4.2.1. Para el silicio la constante de red vale a=5.42 A, y el intervalo de energías prohibidas vale Eg=1.1 eV.

4.2.2. Un mol de cristal de silicio se rompería 1012 enlaces como consecuencia del nivel de energía térmica ordinaria, dando lugar a 1012 electrones libres para moverse a través del cristal en la banda de conducción

4.2.2.1. Esta proporción aumentaría al aumentar la temperatura, lo que explica la propiedad distintiva de los semiconductores de que su conductividad

4.2.2.1.1. Con los metales ocurre lo contrario ya que aumenta al aumentar la temperatura.

5. Semiconductores extrínsecos

5.1. El retículo de un cristal de silicio puro que se impurifica con pequeñas cantidades de átomos de fósforo. El nivel de purificación debe controlarse de modo que se introduzca el orden de un átomo de P por cada millón de átomos.

5.1.1. La energía de interacción del electrón con el núcleo disminuye con respecto a la existente en el vacío desde los 13.6 eV hasta 0.1 eV.

5.1.2. La energía térmica ordinaria bastaría de tener un valor como el anterior para disponer de tantos electrones libres en el cristal.

5.1.2.1. Se ve que cualquier interacción del electrón con un átomo de la red que sufra un desplazamiento vibraciones conducirá a la ionización, dando lugar a una carga positiva fija sobre el átomo de P ionizado.

5.2. La deformación de las bandas se da cuando la posición en la que se encuentra un átomo de P, las 15 cargas positivas de los protones del núcleo generan un pozo de potencial más profundo.

5.2.1. El electrón que le sobra el átomo de fosforo tras formar los cuatro enlaces con átomos de silicio contiguos solo puede encontrar acomodo en el nivel de más baja energía situad en el “bache” generado en la banda de conducción.

5.2.2. Basta de una cantidad muy baja de energía para que el electrón “salga del bache” y se encuentre con la banda de niveles de conducción vacía, y se comporte como un electrón libre para moverse a través del retículo.

5.3. Semiconductores extrínsecos de tipo p

5.3.1. Si el elemento con que se impurifica el cristal de Si puro fuera B o Al, entonces se obtiene otro tipo de semiconductores extrínsecos en el que predominan los huecos o falta de electrones.

5.3.2. La conductividad del nuevo cristal, se debe prácticamente a la generada por los huecos, y por ello a estos semiconductores se les denomina de tipo p.

6. Formación de una unión p-n

6.1. Para la unión de dos cristales de Si, uno dado por P y el otro con Al tiene que haber una parte n del semiconductor que ocupen niveles donadores, con mayor energía que los niveles aceptores de la parte p.

6.1.1. Los electrones buscan ocupar niveles de menor energía que le sean accesibles para que difundan espontáneamente a través de los cristal desde la parte n a la p, ocupando los niveles aceptores para completar el cuarto enlace incompleto en los átomos de Al.

6.2. Los electrones que intenten pasar a la parte p se encontraran con una carga negativa neta en esa parte del material y una positiva neta en la parte n que dificultara el proceso.

6.2.1. Los electrones en la posiciones donadoras de la parte n pertenecían a átomos de P sustitucionales en la red, la perdida de este electrón supone que en el entorno de estos átomos de P próximos a la zona en la que se produce la unión habría 14 electrones frente a las 15 cargas positivas del núcleo, por lo que sobre esos puntos se localiza una carga positiva neta.

6.3. Una homounion es la que se forma entre dos semiconductores, mientras que una heterounion es la que se forma entre un metal y un semiconductor.

6.4. El efecto neto es que en la región donde se produce la unión de ambos tipo de semiconductores se eliminan tantos electrones como huecos y eso ocasiona un empobrecimiento en la densidad de portadores

6.5. En esta zona se compensan los portadores mayoritarios de ambas regiones de contacto n-p, por lo que, desde el punto de vista de la densidad de portadores de carga, tiene características análogas a un semiconductor intrínseco.

6.6. Las propiedades fotovoltaicas de la unión dependen de que los portadores minoritarios sean capaces de difundir hacia la zona de empobrecimiento.

6.7. Los portadores de carga deben ser generados por los fotones incidentes, a una distancia de la unión tal que sean capaces de difundir lasta la misma en un tiempo menor que el que, por medio, transcurre antes de que se produzca su recombinación.

6.7.1. Cuando la unión p-n no está iluminada ni sometida a una diferencia potencial externa, se produce un desequilibrio dinámico.

6.7.1.1. Por lo que se cumple que la corriente proveniente del paso de huecos del material p al n y de electrones del n al p, a través de la unión, es decir, la corriente de generación, esta equilibrada con la corriente denominada recombinación.

6.7.1.1.1. La función de una unión p-n bajo iluminación con fotones de hv≥Eg. Los pares electrón-hueco creados por los fotones son dirigidos por el campo eléctrico existente en la unión, los huecos hacia el material de tipo p, y los electrones hacia el material de tipo n.

7. Radiación solar

7.1. Radiación de onda corta está compuesta de fotones que tiene longitudes de onda: 0.3-2.5µm; λ<0.4µm; 0.4µm <λ<0.7µm y λ>0.7µm

7.1.1. La tierra alcanza un equilibrio térmico debido a que remite energía al espacio a un ritmo de 1kW m-2. Esta energía es reemitida en forma de fotones de baja energía, cuya λ=5-25µm, lo que forma la radiación de onda larga.

7.2. El flujo solar de fotones es lo que llega a la superficie por unidad de tiempo.

7.3. La distribución espectral de la luz solar varía con las condiciones climáticas y con la posición del sol.

7.4. En el espacio la radiación solar no interacciona con las moléculas de los gases de la atmosfera, y la integral bajo la curva de distribución de energía frente a λ, que varía entre 0.3-2.5µm.

7.5. Otra transformación directa de la energía electro magnética en energía química, que queda almacenada en los enlaces de carbohidratos es la que realizan las plantas por medio de la fotosíntesis.

7.6. La masa de aire está presente cuando los rayos llegan a la superficie formando un ángulo ϴ con la trayectoria del haz de luz, y cuando está en zenit, y dividida por la longitud del medio día.

7.7. La radiación electromagnética procedente del sol interacciona con las moléculas de los gases de la atmosfera dando lugar a la absorción y conversión de energía radiante en calor.

7.8. También se produce dispersión, que es un cambio de dirección que depende de la longitud de onda, y reflexión, que no depende de la longitud de onda.

7.9. La atmosfera no contaminada es casi totalmente transparente a la radiación visible, que forma el 45% de la irradiancia solar.

7.10. El número total de fotones es igual a la densidad de potencia total sobre la energía del fotón.

7.11. La corriente en cortocircuito se da cuando la resistencia del circuito es nula.

7.12. La eficiencia de conversión es la energía radiante total que incide sobre las células fotovoltaicas, únicamente una fracción es convertida en corriente eléctrica.

7.13. Una célula fotovoltaica mide 10x10com y produce un voltaje de V=0.5V y generar una corriente proporcional a la intensidad de la luz solar, y hasta un máximo de 2.5-3 amperios.

7.14. Las células solares están conectadas entre sí formando conjuntos de módulos unidos entre sí en paralelo.

7.15. Las células o los módulos pueden hacerse operar en conexión diodo directa o inversa, para evitar que esto desencadene una serie de fallos y pueden alcanzar un tiempo de vida de 20 años.

7.16. Las características de un dispositivo fotovoltaico es que presentan una corriente en cortocircuito Icc y un potencial a circuito abierto Vca.

7.17. La presencia de contactos óhmicos sobre la cara de la célula que recibe la irradiación supone que una parte de la superficie a la que llegan los fotones no es de material semiconductor, por lo que la corriente de la célula se incrementa.

7.18. Una célula de Si monocristalino de 100 cm2 genera una corriente de 3 A-0.5V.

7.19. La disposición de módulos y paneles depende de la superficie disponible, de la orientación con respecto al sol y de la inclinación para conseguir que incida una radiación solar máxima, a lo largo del día.

7.20. Las limitaciones que tiene las células es que tienen diferentes perdidas de energía que afectan la eficiencia de ella y son: perdidas de acuerdo a la superficie que ocupan, a la reflexión de los fotones, por energía fotonica, de la energía en exceso, por eficiencia de colección, factor de llenado, la resistencia en serie y la resistencia en paralelo.

8. Fabricación de células fotovoltaicas

8.1. Las células fotovoltaicas que se han venido usando hasta hace unos años se basaban en silicio monocristalino.

8.2. Los cristales de Si se caracterizan por el retículo continuo, con un mínimo de defectos e impurezas, para la elaboración se utiliza el proceso Czochralski.

8.3. Para la obtención de Si monocristalino se parte de arena (SiO2) a la que se somete a reducción con coque a la temperatura de un horno de arco, hasta obtener el denominado silicio metalúrgico.

8.4. Según la ecuación SiO2+C →CO2+Si

8.5. El Si obtenido se purifica disolviéndolo en HCL para producir triclorosilano

8.6. El triclorosilano es sometido a destilación hasta producir triclorosilano de alta pureza. Esta sustancia se somete a un proceso de reducción con hidrogeno a una temperatura de 900º C, en una reacción inversa se obtiene el denominado silicio de grado electrónico, es decir de alta pureza.

8.7. Después de este Si obtenido es sometido al proceso Czochralski, en el que el Si fundido se introduce en el interior de un contenedor de forma cilíndrica, en cuyo extremo se coloca un cristal de Si, que actúa como semilla alrededor de cual crece un cristal cilíndrico con base de unos 15cm de diámetro.

8.8. Otro método es el denominado refinado zonal, este método parte de un cilindro de material policristalino, en el que se crea una zona fundida, por medio de un devanado emisor de radiofrecuencias, o por medio de un láser.

8.9. El método, que evita tener que cortar obleas y las inevitables perdidas de material, al tener que cortar células rectangulares a partir de obleas circulares, es el crecimiento de una cinta de material monocristalino, de la que es fácil cortar con un láser células del tamaño adecuado. Para ello se utilizan moldes.

8.10. A partir del cilindro obtenido por los dos primeros métodos, con sierras de diamante se cortan las obleas de unos 300 µm de espesor. En este proceso se pierde materia.

8.11. Las obleas son sometidas después a proceso de pulido químico y mecánico. Estas obleas se impurifican cuidadosamente con niveles requeridos de átomos donadores (fosforo) por la cara superior.

8.12. Se calientan las obleas a 1000 º C en una cámara de vacío en la que se hace pasar P2O5. Los átomos aceptadores se inyectan en la otra cara. Se deposita Ti, que forma un contacto de baja resistencia con el Si. Después de recubre con una capa muy fina de Pd para evitar que los contactos de Ag reaccionen con el Ti.

8.13. Finalmente, se forman los módulos y paneles solares interconectando entre si las células individuales en serie y en paralelo, se encapsulan utilizando un polímero (etilenvinilacetato) para la parte posterior, y un vidrio templado, con la cara interior antirreflectante, para la cara anterior. Se utiliza un marco rígido de Al anodizado.

8.14. Con este tratamiento de acabado se pretende que el panel solar quede protegido lo más posible frente a los ataques corrosivos de la humedad, contaminación y otros agentes atmosféricos.

9. Aspectos económicos de los sistemas fotovoltaicos

9.1. El coste de una instalación de energía fotovoltaica depende de su tamaño, de si está conectada a la red o de si se trata de una instalación aislada, del tipo de semiconductor utilizado en la elaboración de las células y de las condiciones del mercado.

9.2. El precio de la energía eléctrica fotovoltaica surge de la contribución de los costes de inversión de capital y de los gastos de mantenimiento de las instalaciones.

9.3. El coste de capital se obtiene sumando al costo de los propios módulos, los costes de interconexión de los mismos para formar paneles, lo de la estructura que los soporta, los del terreno en que se instalan y los de los cimientos que los sustentan.

9.4. La inversión de capital inicial puede ser elevada, pero los costes de mantenimiento son bastante reducidos si se compara con los de muchos sistemas de producción de energía, renovable o no.

10. Impacto medioambiental de los sistemas fotovoltaicos

10.1. En condiciones de operación normales, los sistemas fotovoltaicos son respetuosos con el medioambiente.

10.2. No se producen emisiones de sustancias contaminantes liquidas o gaseosas en su funcionamiento, solamente en la fabricación de las células al utilizar Cd y Se si se puede provocar contaminación si se produce un incendio de los paneles.

10.3. No existen ruidos, ni peligros asociados a la existencia de partes móviles, aunque puede haber peligro de descarga eléctrica si los módulos llegan a producir más de 50 voltios en corriente continua.

10.4. El impacto visual de los paneles solares que recubren tejados o fachadas pueden ser de valoraciones estéticas positivas o negativas.

10.5. Los impactos más importantes se asocian con el proceso de la fabricación de las células y módulos. El silicio, la arena (SiO2) es inofensivo, pero el HCL y las elevadas temperaturas a las que trabaja pueden constituir un riesgo para el medioambiente en caso de escape o accidente.

10.6. En cuanto al reciclado o eliminación de materiales al final de su ciclo de utilización, habrá que poner a punto métodos que aseguren que cualquier sustancia potencialmente toxica para el medioambiente no llegue a entrar en contacto con el mismo.

10.7. Los sistemas fotovoltaicos ofrecen soluciones al suministro de energía eléctrica en viviendas y núcleos de población alejados de la red eléctrica general.