Prácticas 2004-05_ Electrónica I

PRÁCTICA Nº 1: CARACTERIZACIÓN ELECTRO-ÓPTICA DE UNA CÉLULA SOLAR

1. EFECTO FOTOVOLTAICO. CONSIDERACIONES BÁSICAS

+

-

hυ > Eg

INLEgEfv

Efc

E

IPL

Figura 1.1 Cuando un haz de luz suficientemente energético (ha de ser tal que la energía asociada a su longitud de onda sea mayor que el GAP) ilumina una unión PN o un punto muy próximo a ella, se pueden generar pares electrón-hueco en la zona de carga espacial que son separados por el campo eléctrico existente en ella; y por acción del mismo los electrones derivan hacia la zona n y los huecos hacia la p. Si el circuito exterior se cierra mediante una carga resistiva de valor RL, sobre ésta se libera una potencia eléctrica P = IL VL donde IL=INL+IPL es la corriente total generada por la iluminación y VL = (EFn - EFp)/q es la tensión directa generada y es debida al desdoblamiento del nivel de Fermi en la Z.C.E. debida a la iluminación. Nótese que, según el criterio habitual de signos para las corrientes y las tensiones, IL< 0 y VL> 0, por lo que la célula bajo iluminación trabaja en el cuarto cuadrante de su característica I-V, condición imprescindible para actuar como generador de potencia eléctrica. Tanto IL como VL son independientes de la polarización del diodo, no necesitando la célula en esta circunstancia ninguna fuente externa de alimentación para generar ambas. Evidentemente, los valores de IL y de VL serán función del nivel de iluminación que reciba la célula.

2. ESTRUCTURA DE UNA CELULA SOLAR. CIRCUITO EQUIVALENTE

2.1 Células solares de Si Una célula solar es una unión PN de gran área capaz de convertir la radiación solar en energía eléctrica. Aunque hay infinidad de tipos de células solares, las más corrientes y hoy en

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día casi las únicas comerciales son las de Silicio, cuya estructura básica se muestra en la figura 5.2

ELECTRODO SUPERIOR

ELECTRODO

p-Si

n-Si

Figura 1.2 Desde la base hasta la parte superior nos encontramos un electrodo colector de corriente, que hace contacto no rectificante con la zona p del diodo, la zona Si-n de la unión, que es muy delgada a fin de permitir el paso de la radiación solar hasta la unión, y por último el electrodo colector de corriente de la zona n que tiene forma de rejilla y suele ocupar un 10% del área total del dispositivo. La forma peculiar de este electrodo facilita la iluminación de la mayor parte del dispositivo, al mismo tiempo que permite recoger la corriente generada en la unión sin pérdidas resistivas apreciables. Así pues, a la vista de la estructura que tiene la célula resulta claro que se trata simplemente de una unión P-N en la que una de sus zonas (la n) es muy delgada. Por tal motivo, la ecuación característica de una célula ideal en oscuridad será la de un diodo, es decir:

I I eo

qVAkT=

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟1− (1.1)

Hay otras estructuras diferentes de la anterior, muy similares a los fotodiodos P-I-N, siendo el principio de operación de éstas últimas análogas a las células P-N. En general, la utilización mas común de las células solares es en forma de paneles, donde un numero elevado de células se conectan en serie y/ó en paralelo para suministrar tanto corrientes como tensiones adecuadas para su utilización en instalaciones de cierta envergadura. En el laboratorio se realizara la caracterización de minipaneles de diferente número de células de Si. Los detalles concretos de estos minipaneles se verán mas adelante en este guión. En la práctica, sin embargo se observa que ningún dispositivo obedece realmente a esta ecuación. Esto es debido a que realmente, no toda la potencia que suministra el dispositivo podrá alcanzar el circuito exterior debido a que parte de ella se perderá en la propia resistencia interna de la célula. Además, en polarización inversa el dispositivo no se comporta como un circuito abierto ideal, sino que siempre presenta ciertas fugas de corriente. Todo ello hace que una representación más adecuada a la realidad del comportamiento de la célula pueda realizarse mediante un circuito equivalente que tenga en cuenta los procesos físicos antes citados, como el de la figura 1.3

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RSH

RS

Célula ideal Vmedida

Imedida

Figura 1.3 En dicho circuito, el diodo representa la unión P-N ideal, RS tiene en cuenta las pérdidas resistivas internas y RSH las fugas de corriente en polarización inversa. El análisis de tal circuito conduce a la siguiente expresión

I I eV R I

Ro

q V R IAkT S

SH

S

= −⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ +

−−( )

1 (1.2)

que evidentemente tiende a la expresión (1.1) cuando RS tiende a 0 y RSH a infinito. Si iluminamos la célula solar, esto equivale, según hemos visto, a la aparición de una corriente IL independiente de la polarización. Además, esta corriente tiene el mismo sentido que la corriente inversa de saturación, y por tanto podremos simular la iluminación con una fuente de corriente que suministra IL amperios con el mismo sentido que la corriente inversa, tal y como se muestra en la figura 1.4

RSH

RS

V

I

Figura 1.4 La ecuación característica será ahora

I I eV R I

RIo

q V R IAkT S

SHL

S

= −⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ +

−−

−( )

1 (1.3)

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Es decir, la iluminación únicamente desplaza en el sentido de la corriente negativa la característica en oscuridad IL amp, tal y como se muestra en la figura 5.5

OSCURIDAD

ILUMINACION

I L

Figura 1.5

3.- CARACTERIZACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR EN OSCURIDAD

Caracterizar la célula solar en oscuridad equivale a determinar los parámetros que definen su comportamiento. Estos, conforme se puede ver en la ecuación (1.2), son Io, A, RS y RSH. La obtención de cada uno puede hacerse de acuerdo con el siguiente método: Cuando se polariza la célula en directa, para valores de la polarización moderadamente elevados, la ecuación (1.2) se puede aproximar por la siguiente:

I I eo

qVAkT=

ya que los demás términos de la ecuación son despreciables. Operando en esta ecuación,

ln lnI IqV

AkTo= +

Ajustando entonces los puntos experimentalmente determinados (I, V) podremos obtener tanto A como Io, ya que la representación gráfica de ln I frente a V nos dará una línea recta de pendiente q/(AkT) y corte en el orígen ln Io. La determinación de RSH se realizará al polarizar el dispositivo en inversa. En efecto, para esta situación, de la ecuación (1.2) se deduce que la ecuación de la célula es, aproximadamente,

IR R

VR

R RI

R RV

S SH

SH

S SHo

S SH=

+−

+≈

+1 1

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La pendiente de tal función es 1/(RS+RSH), y como en general RS << RSH, se obtendrá directamente el valor de RSH. La determinación de RS es más conflictiva, pero puede suponerse que viene determina por la pendiente de la característica I-V en directa para polarizaciones altas, como se muestra en la figura 1.6

I

V

1/Rs

Figura 1.6

4. CARACTERIZACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR EN ILUMINACIÓN

Según se ha visto en los apartados anteriores, la iluminación de una célula solar se traduce en que su característica se desplace IL amperios en dirección de las corrientes negativas, manteniéndose la forma de la misma. La única diferencia significativa frente a la oscuridad es pues que el dispositivo tiene parte de su característica en el 4º cuadrante. Bastará entonces con definir y determinar los parámetros de este 4º cuadrante para realizar la característica en iluminación. Estos son los siguientes: VOC : Tensión en circuito abierto. Aparece en condiciones tales que I=0 ISC : Corriente en corto circuito. Es la corriente que genera la luz y se determina cuando V=0 Pm : Potencia máxima de salida. Es la potencia más alta que puede suministrar el dispositivo. Se obtiene iluminando el dispositivo y haciéndolo trabajar para diferentes resistencias de carga. Representando entonces gráficamente Pm frente a RL obtendremos el punto de máxima potencia y la RL para la cual ocurre. Gráficamente:

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R L1

R L2

R L3

I 1

I 2

I 3

V3V1 V2V

I

Figura 1.7 La relación entre la potencia que suministra la célula y la resistencia de carga se presenta en la figura 1.8:

V I3 3

2 2V I

V I1 1

RL1 RL2 RL3 RL

Figura 1.8

F.F : Factor de curva. Se define como FF V IV I

m m

oc sc=

η : Rendimiento. Se define como η =P cmP cmGEN

IN

//

2

2

PGEN: Potencia generada PIN: Potencia incidente Ambos parámetros suelen expresarse en %

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El cálculo de PIN esta realizado a partir de la medida de la corriente en cortocircuito de una celula patrón calibrada. El valor de la PIN suministrada por cada sistema de iluminación es un dato del que se dispondrá en el Laboratorio. Las distintas células que se utilizan en ésta práctica tienen las siguientes características:

1. Células P-N de Si: Area de las células: 3.5 cm2. 2. Minimodulos de Si de 2 células: Area activa de cada célula: 9.6 cm2

Numero de células: 2 3. Minimodulos de Si de 3 células: Area activa de cada célula: 1.75 cm2

Número de células: 3 Hay información adicional acerca de practicas de laboratorio con células solares en las referencias.

5. REALIZACIÓN PRÁCTICA

A) Caracterización en iluminación

Se obtendrá solamente la característica I-V del dispositivo en el 4º cuadrante, pues el resto de la misma no aporta ninguna información adicional. Procédase del siguiente modo: 1. Determinar VOC. 2. Determinar ISC. 3. En función de los valores obtenidos para VOC e ISC, identifíquese que muestra se esta midiendo. 4. Obténgase la característica I-V en el cuarto cuadrante completa. Para ello, se acoplará a los terminales de la célula una resistencia variable. Seleccionando ésta de forma adecuada, podremos ir desde el cortocircuito al circuito abierto. Tómense al menos 15 puntos de ésta característica para determinarla lo mas exactamente posible. En todas las medidas, la iluminación se mantendrá fija. El circuito a montar para efectuar ésta caracterización se puede ver en la figura 1.9.

V

A

Figura 1.9

V

A

Figura 1.10

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B) Caracterización en oscuridad

En esta parte se obtendrá la característica I -V en oscuridad de la célula solar, que se reduce a la de un diodo real, según hemos indicado anteriormente. El circuito con el que se podrá obtener esta característica será el que se muestra en la figura 1.10. Con objeto de obtener un conjunto de datos apropiado para realizar los análisis posteriores, tómense los datos de la característica de la siguiente manera:

i) Polarización directa Midiendo la corriente que circula por la célula, teniendo presente los siguientes valores mínimos:

Corriente mínima: 10-6 Amp. Tómense 10 valores de corriente por cada década: (1.5, 2, 3,……10)x10-n, donde N es la

década en la que se esta efectuando la medida.

ii) Polarización inversa Observando la tensión que cae, tanto en las células de Si como en los minimódulos, tómense datos a intervalos de 0.25 V de tensión, hasta un valor que nunca será inferior a -2.5 V

6. RESULTADOS A OBTENER

1. De las características en iluminación VOC, ISC, Pm, R de carga para Pm, η y FF 2.- De las características en oscuridad Io, A, RS, RSH. Los valores de RS y RSH se obtendrán normalizados al área de la célula, es decir, en unidades de Ω/cm2.

8. REFERENCIAS

[1] I Mártil y G. González, Eur. J. Phys 13 (1992) 193 [2] D. A. Neamen, "Semiconductor Physics and Devices". Irwin (1992). [3] M. S. Tyagi, "Introduction to Semiconductor Materials and Devices". J. Wiley (1991).

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