Celdas Solares o Fotovoltaicas

Capturando energía de la luz

Dr. Guillermo NeryUPRA: ISMuL

Octubre de 2012

Objetivos

• Definir celda solar

• Definir energía (cinética y potencial) (no es fza.)

• Trabajo para dar y quitar/almacenar energía

• Definir corriente y voltaje (no es fza.)• Definir corriente y voltaje (no es fza.)

• Celda solar de Si vs celda química: medirvoltaje(con/sin luz), conectar en serie y en paralelo (con/sin luz), efectos

• Costos

Objetivos

• Cómo funciona la de Si,

• Una nueva opción: tinte orgánico y nanomateriales

• Nanomaterial; tinte orgánico• Nanomaterial; tinte orgánico

• Cómo funciona

• Hacer la de tinte orgánico, probarla

• Celda de Cu (INTERNET, sólo hacer una y probar las demás)

Celdas solares

• Una celda solar es un artefacto que absorbe luz y transforma su energía a energía en forma de corrienteeléctrica. Varias celdas solares, interconectadas, hacenuna batería solar o panel solar.

Energía es...

• La habilidad para hacer trabajo.

• Pero también se puede ver de otro modo:

Es una medida del nivel de actividad de la Es una medida del nivel de actividad de la

materia.

• Donde hay energía hay actividad de la

materia, o al menos el potencial para que

haya actividad.

Energía es...

Definición operacional de la energía de un objeto

• La energía (E) de un objeto es

E = 1/2mv2

donde m es su masa y v es su velocidad.

Vemos que con eso:

o La energía es mayor a mayor rapidez del objeto

o La energía es mayor a mayor cantidad de masa del objeto

o El signo (la dirección) no afecta.

Definición operacional de la energía de un objeto

• La energía (E) de un objeto es

E = 1/2mv2

donde m es su masa y v es su velocidad.

Al medir energía:

o Kg*m2/s2 = Julio

o 1 Caloría = 1000 calorías = 4,186.8 Julios

o El cuerpo de una persona de 150 libras caminando a un paso tranquilo y fijo o estable (1m/s) tiene 68 Julios (fijo, no siendo perdido ni gastado).

Energía es...

(electrones~ondas)2

macroscópica

Nanoscópica (termal)

Trabajo para transferir energíaSe hace trabajo para dar y quitar energía. Cuandose hace trabajo, la energía que uno gana, el otropierde.

Energía = Fuerza

• La energía no es una fuerza. La energía es sólouna medida del nivel de actividad de la

materia.

• Las fuerzas son lo que sientes en el momento en que estás siendo halado o empujado por otroque estás siendo halado o empujado por otroobjeto (cuando los dos interactúan).

• Las fuerzas son (en parte) lo que cada objetopercibe del flujo de energía entre los dos objetos cuando se están haciendo trabajomutuamente y se están transfierendo energía.

Trabajo para almacenar energíaFuerzas como la gravitatoria y la eléctrica pueden quitar energíacuando un objeto que es atraídose aleja del que lo atrae, y devolverla cuando vuelve a devolverla cuando vuelve a acercarse.

Corriente eléctrica: Una dirección y dos sentidos

Corriente eléctrica• Una corriente eléctrica ocurre

cuando materia con carga

eléctrica y que es movible o

está suelta (electrones, huecos, positrones, iones) se

dirección

huecos, positrones, iones) se

mueve en una dirección

debido a fuerzas eléctricas en su ambiente.

• Las fuerzas son de atracciónentre cargas distintas y repulsión entre cargas iguales.

sentido +

sentido -

Corriente eléctrica: Amperes• La corriente o flujo de agua se describe

indicando cuántos litros de agua pasan por un río o una tubería por cada segundo que pase.

• 5 litros/segundo

• La corriente o flujo eléctrico se describe indicando cuántos Coulombios de cargaeléctrica pasan por un cable metálico o unasolución salina por cada segundo que pase.

• 5 Coulombios/segundo = 5 Amperes

Voltaje• Una celda de 1.5 Voltios tiene

1.5 Julios de energía

almacenada para cada

Coulombio (C) de carga quevaya de su extremo – al + (ovice versa). Si un total de 4 C vice versa). Si un total de 4 C de carga logran ese viaje, se les dará un total de 6 J. La energía se almacena en la celda gracias a fuerzaseléctricas. Una vez liberada(entregada), se usa parahacer trabajo, o calentar.

Voltaje = Fuerza eléctrica

• El voltaje no es una fuerza. El voltaje es sólo la cantidad de energía potencial disponible paracada Coulombio de carga que pase entre los dos electrodos, + y -.

• Unidad: Voltio = Julio/Coulombio• Unidad: Voltio = Julio/Coulombio

• La energía se almacena gracias a que hay fuerzas eléctricas, pero no es lo mismo.

• Voltaje tampoco es energía potencial (o sea, almacenada). No es el total de energíaalmacenada. Es la que hay almacenada paracada Coulombio de carga.

Medir voltaje y corriente: celda química en serie y en paralelo

versus versus celda solar en serie y en paralelo, con

luz versus sin luz

Costos de energía• 1 kilovatio*hora = 1 kWh = 3,600,000 J • 1 Caloría ~ 1/1,000 kWh• Por vivir quieto: gastas ~1 kWh en 10 horas• AEE (principalmente quema de combustibles

variados, 2012: Bunker C (No 6) y Diesel (No 2) $ 0.20/kWh$ 0.20/kWh

• De planta generadora, incluyendo construcción, uso, y desmantelamiento (nuclear) 2010:hidro $ 0.03/kWh, Nuclear $ 0.04/kWh, carbón $ 0.04/kWh, viento $ 0.08/kWh, gas natural $ 0.10/kWh, solar $ 0.20/kWh

• ~$2 corriente 0.5A voltaje 0.55V potencia 0.28W

Costos al ambiente• “Carbon footprint” La cantidad de CO2 o su

equivalente -para el efecto invernadero- que se libera para producir el equipo y la planta o instalación, durante cualquier transporte relacionado, durante el funcionamiento, y para la desmantelación.

• Ni-Cd celda química recargable AA 3MJ/celda, 0.2 kg/celda CO2e 240g CO2e/kwh 500-800 ciclos de recarga

35-38g CO e / kWh celda solar con 5% efficiencia2 2

• 35-38g CO2e / kWh celda solar con 5% efficiencia(ahora 20%) (25-80 biomasa, 3-10 hydro, 5-15 viento) pero NF3 usado para fabricar celdas solares, si se escapa, es 17000x potente comparado con el CO2

• 20 – 55g CO2e / kWh celdas solares a nivel del sur de Europa (irradiación) y si duran 30 años (2008)

• 450 g CO2e / kWh gas natural• 850 g CO2e / kWh carbón

Problemas con celdas solares• Daños al ambiente: excavación, purificación,

derretir y crecer cristales de Si con pocas y controladas impurezas (procesamiento con materiales altamente tóxicos), desecho

• La noche:– Baterías recargables (no recargables: 500x peor)– Baterías recargables (no recargables: 500x peor)

– AEE

• Algo de variación según la hora del día(posición del Sol) y estado del tiempo; mássegún la latitud

• Tormentas y robo o vandalismo

Problemas para el petróleo y otros

• Aparte del efectoinvernadero, el petróleo se va a acabar.

• Otros no pueden• Otros no puedensuplir la demanda.

• Energía nuclear también puedesuplir.

• 1 TW = 1 Terawatt

= 1,000,000,000 kW

Cómo funciona la celda solar (o fotovoltaica) de Silicio (Si)(o fotovoltaica) de Silicio (Si)

Estructura de un átomo / Energía químicaEN

ERG

ÍA T

OTA

L =

K +

P

Átomo con electrones en forma de orbitales 1s, 2s y 2p en posición alrededor del núcleo.

Forma de un electrónUn “orbital 3s”: una forma de un electrón

Forma de un electrón

Los electrones de un átomo están atrapados. Aquí vemos las diferentes formas

de los electrones y la manera en que se solapan alrededor del núcleo del

átomo. No más de dos electrones pueden tener la misma forma en el átomo. A

mayor distancia del núcleo, menor la energía cinética, pero el aumento en la

energía potencial domina, y la energía total aumenta.

ENER

GÍA

TO

TAL

= K

+ P

alrededor del núcleo. Los electrones se solapan.

1s

Forma de un electrón

Núcleo (apenas visible)

Energía química y lumínicaUn electrón puede ser compartido por dos átomos. Entonces, su forma es de orbital de enlace. Un fotónpuede dar energía a un electrón que tiene la forma de un orbital de enlace y lograr que -al ser absorbido-cambie su forma (orbital) a una de mayor energía.

electrón en orbital de enlaceabsorbe al fotón y su energía

núcleos (+) fotón con energía

electrón (-) en 1era capa

electrón (-) en orbital de enlace

electrón en orbital de enlacecon más energía almacenada

absorbe al fotón y su energía

Molécula (este fotón no logró

romper el enlace)

En un cristal de Silicio, los electrones compartidos, enlazando a todos los átomos, tienen orbitales (formas) compartidos por dos electrones que van en sentidoscontrarios (no hay flujo neto). Para que haya un flujo de corriente eléctrica, tienen que cambiar de orbital,

Energía química y lumínica

de modo quehaya un flujoneto.

Electrones emparejadosen orbitales y yendo en sentidos contrarios

Electrones solos en orbitales diferentes y yendo en el mismosentido

Orbital posiblepara un electrón, pero ninguno estáasí ahora.

Ya habiendo absorbido la energía, un electrón fluye en un sentido. Otro que quedó atras fluye en el mismo sentido. Ahora hay flujo neto (corriente eléctrica). Lo que ocurreen el grupo de orbitales más adentro también se puedeinterpretar como un “hueco” o partícula con carga + yendo en sentido contrario. Así se evita tratar a

Energía química y lumínica

todos los otros

Electrones emparejadosen orbitales y yendo en sentidos contrarios

Electrones solos en orbitales diferentes y yendo en el mismosentido

Orbital posiblepara un electrón, pero ninguno estáasí ahora.

todos los otroselectrones.

Hueco: partículacon carga + que váhacia

Un cristal de Silicio con impurezas (átomos de Al) tendránun electrón menos por cada impureza atómica. Los orbitales siguen siendo los mismos, básicamente. Entonces, por la falta de electrones, habrán huecos sin que un fotón intervenga.

Silicio tipo P

Hueco: partículacon carga +

Impureza de Al

Un cristal de Silicio con impurezas (átomos de P) tendránun electrón más por cada impureza atómica. Los orbitalessiguen siendo los mismos, básicamente. Entonces, por la sobra de electrones, habrán electrones solos en los orbitales de afuera sin que un fotón intervenga.

Silicio tipo N

Electrón extra

Impureza de P

La unión de un cristal de Silicio tipo N con otro tipo P resulta en que electrones sueltos del lado N son atrapados en huecos del lado tipo P. Esto separa esoselectrones de sus átomos. Donde están los electronesatrapados habrá carga negativa, y donde faltan positiva.

Ensambladura tipo NP

Carga + Carga -Electrón extra del lado N atrapado en un hueco

Lado tipo N Lado tipo P

Carga + Carga -

Celda fotovoltaica : ensambladura NP• La ensambladura genera la región de carga eléctrica

que hara fuerza para separar las cargas que los fotonessuelten del Silicio.

FOTONES

Tipo P

Átomo neutral

hueco positivo (+)

Electrón (-)

región negativa (-)

región positiva (+)

región neutral

región neutralCelda Fotovoltaica(Celda Solar) -de perfil-

Tipo N

Tipo P

La celda fotoquímica de nano-TiO2

y tinte orgánicoy tinte orgánico

Celda fotoquímica

• En este caso, el material que absorbe la luz, el que se lleva el electrón, y el que recibe el electrón para devolverlo al que absorbe la luzson distintos (pueden trabajarse porson distintos (pueden trabajarse porseparado).

Celda fotoquímica

• En este caso, el material que absorbe la luz, el que se lleva el electrón, y el que recibe el electrón para devolverlo al que absorbe la luzson distintos (pueden trabajarse porson distintos (pueden trabajarse porseparado).

Celda fotoquímica

Enlaces relevantes• Celdas solares comerciales

– http://www.siliconsolar.com/commercial-solar-cells.html– 500mA 0.28W Commercial Solar Cell (25 celdas solares)– Commercial Solar Cell From Silicon Solar Inc Rated At 0.55V / 500mA / 0.28W– $2.11 c/u x 25 units = $52.75

• Equipo de electrónica (multímetros, motores, …)– http://www.allelectronics.com/– http://www.multimeterwarehouse.com/DT830BMinif.htm

• Planificación de paneles solares para una casa– http://www.instructables.com/id/DIY-Home-Solar-Planning-a-Solar-Array-Beginners/

• Cómo soldar celdas solares (conectarlas)• Cómo soldar celdas solares (conectarlas)– http://www.youtube.com/watch?v=TDlcaILWP54&feature=related

• Cobre– square Copper sheets 10 X 0.5ft2 06.10.036 36 Ga Copper Sheet - 6 in x 12 in $5.95 c/u– http://www.silversupplies.com/catalog/metals/copper.shtml– http://basiccopper.com/ otro lugar

• Celda solar de Cu / Cu2O (cómo hacerla)– http://www.exo.net/~jillj/activities/solarcell.pdf– http://www.ehow.com/how_4866500_make-homemade-solar-cells.html

• Celda solar con blackberries (la que hicimos)– http://www.sciencegeekgirl.com/activities/Blackberry%20solar%20cell.pdf– http://www.solideas.com/papers/Exploratorium_Solar.pdf