Disseny d’un sistema de mesures d’espectroscòpia de...

Disseny d’un sistema de mesures d’espectroscòpia de voltatge per la caracterització de cèl·lules solars

orgàniques.

TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica en Telecomunicacions, especialitat en Telemàtica.

AUTOR: Montse Sorrius Martí

DIRECTOR: Francesc Lluís Marsal Garva

Disseny d’un sistema de mesures d’espectroscòpia de voltatge per la caracterització de cèl.lules solars orgàniques.

2


3

AGRAÏME,TS

En primer lloc, els agraïments són per a la meva família, doncs em van veure estudiar gairebé des que tinc ús de raó, i suposa un gran esforç i satisfacció per a ells.

Agraeixo al meu tutor Lluís marçal, per haver-me prestat suport durant tot el projecte per començar des de zero fins a finalitzar el projecte correctament. Un especial esment per a Josep Ferrer i diferents membres del departament, pel seu suport i col·laboració, a Javier per la seva dedicació i pels seus savis i encertats consells.

Agraeixo a tots els que han estat sempre allí en els moments bons i en els turbulents, el amics i companys. A tots aquells que hem van ajudar amb algun mesura o amb algun càlcul, i que sempre han estat aquí i m'han ajudat moltíssim a anar superant els obstacles que s'han presentat en aquest camí i donat bons consells en els moments més decisius d'aquest projecte.

Moltes gràcies a tots!


4

I,DEX

RESUM ............................................................................................................................ 7

CAPÍTOL 1 - ELS SISTEMES FOTOVOLTAICS ....................................................... 12

1.1 LES FONTS DE LLUM ............................................................................................... 12

1.2RADIACIÓ SOLAR .................................................................................................... 13

CAPÍTOL 2 - L’ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA .............................................. 19

2.1 HISTORIA I ACTUALITAT ......................................................................................... 19

2.2 CONCEPTES BASICS DELS SEMICONDUCTORS .......................................................... 21

2.2.1 Model d’enllaç: .............................................................................................. 22

2.2.2 Model de bandes............................................................................................. 23

2.2.3 Dopatge .......................................................................................................... 24

2.3 JUNCIÓ PN ............................................................................................................. 25

2.4 CÈL·LULA SOLAR ................................................................................................... 27

2.5 LAS TRES GENERACIONS DE CÈL·LULES FOTOVOLTAIQUES .................................... 29

2.6 TIPUS DE CÈL·LES SOLARS SEGONS MATERIALS ...................................................... 30

2.6.1 Cèl·lules basades en el silici cristal·lí monocristalins i policristal·lí ............ 30

2.6.2 Cèl·lules de Pel·lícula Prima (Thin-Film) ...................................................... 31

2.6.3 Cèl·lules de III – V o d’alta eficiència ........................................................... 32

2.7 CÈL·LULES ORGÀNIQUES ....................................................................................... 34

2.7.1 Principi bàsic d'operació de la cèl·lula solar orgànica ................................... 34

2.7.2 Arquitectura de les cèl·lules solars orgàniques .............................................. 35

2.7.3 Eficiències de les cèl·lules solars orgàniques ................................................ 36

2.7.4 Avantatges de les cèl·lules orgàniques respecte a les inorgàniques............... 37

2.8 PANELLS FOTOVOLTAICS ORGÀNICS I CIGS ........................................................... 37

3.4.5 Comparació de resultats cèl·lula 1 i cèl·lula 2 ............................................... 40

CAPÍTOL 3 - DISSENY I IMPLEMENTACIÓ ............................................................ 41

3.1 INTRODUCCIÓ: ....................................................................................................... 41

3.2 DESCRIPCIO DEL SISTEMA: ..................................................................................... 41

3.3 DESCRIPCIÓ DELS MATERIAL UTILITZATS: .............................................................. 43

3.3.1 Leds: ............................................................................................................... 43

3.3.2 Font d’alimentació: ........................................................................................ 47


5

3.3.3 Oscil·loscopi: ................................................................................................. 49

3.3.4 Generador de funcions: .................................................................................. 51

3.3.5 Circuit integrat: .............................................................................................. 53

3.3.6 Cèl.lula solar: ................................................................................................. 56

3.4 MESURA D’EXTRACCIÓ DE CARREGA ..................................................................... 58

3.4.1 Introducció ..................................................................................................... 58

3.4.2 Mesures .......................................................................................................... 61

3.4.3 Càlculs realitzats amb la cèl·lula 1:................................................................ 65

3.4.4 Càlculs realitzats amb la cèl·lula 2:................................................................ 69

3.4.5 Comparació de resultats cèl·lula 1 i cèl·lula 2 ............................................... 72

Hem realitzat una comparació de les dues cèl·lules a 1 sun: .................................. 72

RELACIÓ DE FONTS D’INFORMACIÓ .................................................................... 76

ANNEXS ........................................................................................................................ 78

ANNEX I: TECNOLOGIES DE CÈL·LULES SOLARES ........................................................ 78 ANNEX II: TRANSISTOR ZVN4306A ........................................................................... 84 ANNEX III: LEDS LXHL-NWE8 ................................................................................ 87


6


orgàniques.

RESUM.


7

RESUM

Actualment, l'ús d'energies renovables està en creixement degut a que l'existència de les fonts fòssils que actualment son utilitzades per l'obtenció d'energia acabaran esgotant-se. Es per aquest motiu que cada vegada mes es potencia l'explotació d'energies renovables, tals com la solar o eòlica, per produir energia elèctrica. A mes, cal destacar que son fonts d'energia que produeixen un reduït impacte mediambiental, amb efectes contaminants pràcticament menyspreables.

El sol es una font inesgotable i gratuïta d'energia. L'energia solar, dintre del grup les anomenades energies renovables, ofereix un potencial energètic major del que mai podrem consumir, un potencial inesgotable que pot utilitzar-se en múltiples activitats humanes.

Per tenir una idea, el sol envia a la terra en 15 minuts més energia de la que la humanitat utilitza durant tot un any. Arriba una quantitat d'energia solar aproximada a 1,7x10^14kW, el que correspon a un potencia igual a 170 milions de reactors nuclears de 1000MW de potencia unitària. Cal tenir en compte que no tota l'energia es aprofitable, però el potencial utilitzable es mil vegades superior al consum anual de la humanitat.

L'energia solar, i dintre d'aquesta, la fotovoltaica, te múltiples aplicacions a la vida diària: des del bombeig d'aigua en llocs on aquesta es un be escàs, electrificació rural, enllumenat públic, senyalització, etc. Des de l’alliberació del mercat elèctric, qualsevol particular pot convertir-se en propietari d'un petit generador elèctric i vendre l'energia elèctrica produïda a partir del sol.

El problema resideix actualment en l' eficiència a l'hora d'aprofitar d'aquestes energies netes. Es per això que cal perfeccionar i desenvolupar sistemes de caracterització i d'explotació per treure'n mes eficiència i benefici.

El present projecta ha estat elaborat en un dels departaments de l’Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de la universitat Rovira i Virgili de Tarragona, departament que s’encarrega del desenvolupament i elaboració de panells solars.

Tot i la situació econòmica actual del nostre país, la qual no es molt favorable, pensem que projectes com aquest son una gran oportunitat per perfeccionar la investigació i estudi, ja que en basem en un sistema de mesura senzill, i amb aparell del propi laboratori i amb pocs recursos econòmics afegits.

L’objectiu del treball es realitzar un sistema de caracterització de cèl·lules solar, ens centrarem en el disseny i procés de construcció, sistema de mesurament relativament simple. Així com la realització de les probes experimentals necessàries per comprovar el seu correcta funcionament, amb l'objectiu de poder veure l'eficiència de diferents tipus de cèl·lules solars elaborades al nostre centre.

Dels resultats experimentals obtinguts es conclou que el sistema de mesura dona els valors esperats, amb la necessitat de poc temps d’experimentació i amb l’obtenció de mesures directes de les càrregues acumulades en el sistema a causa del procés fotovoltaic.

Per a futures aplicacions del sistema un paper fonamental es el desenvolupament d’un software de gestió de dades i per resoldre el principal problema de soroll per tal de millora el senyal cal la implementació de filtres.


8

ABSTRACT

During the past years the use of renewable energies has increased exponentially since the lifetime of the fossil sources, which are nowadays the principal source of energy, decreases dramatically every day. Thus, renewable energies, such as the solar energy or the eolic power, have become expected potential sources to produce electric energy. It is worth mentioning the low environmental impact of these renewable sources, with almost negligible polluting effects.

The sun is a never ending and a free source of energy. Solar energy is among the most efficient renewable sources, offering higher potential than we could ever consume. Additionally, it is a very suitable source for multiple human activities. In other words, the energy receive in the Earth is 15 minutes larger than the energy used by the whole humanity every year. Approximately, the energy amount received from the sun is 1.7·1014 kW, which corresponds to 170 million nuclear reactors working at 1000 MW each unitary power. Besides, even though not the entire quantity of energy received can be used the usable potential is thousand times higher than the annual consumed of the world.

Photovoltaic energy, within the solar energy group, has multiple applications in the daily life, i.e. water pumping, rural electrification, public lighting, signalling, etc. Since the release of the electricity market, anyone can become owner of a small electric generator and sell their energy obtained from the sun. The main problem lies on the low efficient equipment to take advantage of such clean energies. For this reason, new and improve characterization and exploitation systems are required in order to obtain more efficient processes and benefits.

The present project has been performed at the Escola Tècnica Superior d’Enginyeria of the Universitat Rovira i Virgili of Tarragona, at the department responsible of the development of solar cells. Despite the actual unfavourable economic situation of our country, we believe that works as the one presented in these lines are a huge opportunity to improve the research on the solar panels. First of all, our measurements are simple, made with machines from our own lab and, secondly, few economic additional resources were required during the whole investigation.

The main objective of our work is the development of a new characterization system for solar cells, which is a very simple measuring system. We have been focused on the design and the construction process of our machine. As well, we have performed experimental assays to keep the equipment in working order and check the efficiency of different types of solar cells constructed in our group. Our results show from the firsts experiments that the equipment achieves the expected results. We were also able to perform direct measurements of the accumulated charges in the system, typically formed during the photovoltaic process.

Finally, and considering future applications, it is interesting to note that the development of new software will play an important role to solve the main problem of the noise. Furthermore, filter implementation could be the best solution to improve the signal.


9

RESUME,

Actualmente, el uso de energías renovables está en crecimiento debido a que la existencia de las fuentes fósiles que actualmente se utilizan para la obtención de energía acabará agotándose. Es este el motivo por el cual cada vez se potencia mas la explotación de energías renovables, tales como la solar o eólica, para producir energía eléctrica. Hay que destacar que son fuentes de energía que producen un reducido impacto medioambiental, con efectos contaminantes prácticamente despreciables.

El sol es una fuente inacabable y gratuita de energía. La energía solar, dentro del grupo de las llamadas energías renovables, ofrece un potencial energético mayor del que jamás podremos consumir, un potencial que puede utilizarse para múltiples actividades humanas

Para tener una idea, el sol envía a la tierra en 15 minutos más energía de la que la humanidad utiliza durante todo un año. Llega a una cantidad de energía solar aproximadamente de 1,7x10^14kW, correspondiente a una potencia igual a 170 millones de reactores nucleares de 1000MW de potencia unitaria. Cabe destacar que no toda la energía es aprovechable, pero el potencial utilizable es mil veces superior al consumo anual de la humanidad.

La energía solar, y dentro de esta, la fotovoltaica, tiene múltiples aplicaciones en la vida diaria: desde el bombeo de agua en lugares donde es escasa, electrificación rural, iluminación pública, señalización, etc. Desde la liberación del mercado eléctrico, cualquier particular puede convertirse en propietario de un pequeño generador eléctrico i vender la energía eléctrica producida a partir del sol.

El problema reside actualmente en la eficiencia a la hora de aprovechar estas energías limpias. Es este el motivo por cual hace falta perfeccionar i desarrollar sistemas de caracterización i explotación para poder sacar más rendimiento.

El presente proyecto ha sido elaborado en uno de los departamentos de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la universidad Rovira i Virgili de Tarragona, departamento que es encargado del desarrollo y elaboración de paneles solares.

A pesar de la situación económica actual, la cual no es favorable, pensamos que proyectos como este son de gran importancia para mejorar la investigación i estudio, ya que se basa en un sistema de medición sencillo i con aparatos del propio laboratorio i que con pocos recursos económicos son fáciles de llevar a cabo.

El objetivo del trabajo es realizar un sistema de caracterización de ledas solares, nos centramos en el diseño i proceso de construcción, sistema de medición relativamente sencillo. Así como la realización de las pruebas experimentales necesarias para la comprobación del correcto funcionamiento, con el objetivo de poder ver la eficiencia de diferentes tipos de celdas solares elaboradas en nuestro centro.

De los resultados obtenidos experimentalmente se concluye que el sistema de medición da los resultados esperados, con la necesidad de poco tiempo de experimentación i con la obtención de resultados numéricos directos de la carga acumulada en el sistema a causa del proceso fotovoltaico

Para futuras aplicaciones del sistema un papel importante es el desarrollo de un software de gestión de datos, i por otro lado para solucionar el principal problema de ruido i mejora de la señal sería necesaria la implementación de filtros


10


orgàniques.

CAPÍTOL 1 – ELS SISTEMES FOTOVOLTAICS.


11

INDEX

CAPÍTOL 1 - Els sistemes fotovoltaics

1.1 Les fonts de llum

1.2 Radiació solar


12

CAPÍTOL 1 - Els sistemes fotovoltaics

En aquest primer capítol s'explicaran el conceptes necessaris per entendre el funcionament de les cèl·lules solar i panells fotovoltaics. Es farà referència a les característiques de la llum, el semiconductors i conceptes bàsics, la junció PN, el diferents tipus de cèl·lules fotovoltaiques així com les cèl·lules solars orgàniques i els panells fotovoltaics.

1.1 Les fonts de llum

Les cèl·lules solar poden ser il·luminades mitjançant llum artificial o la llum solar. El comportament de la cèl·lules solar es diferents segons la font d'il·luminació, degut a diferents nivells d'irradiació, espectre i continuïtat en el temps.

Un laboratori amb un correcta il·luminació es troba a l'entorn de 10W/m^2, mentre que la irradiació màxima solar por assolir fins a 1000W/m^2 a la superfície de la terra.

D'altre banda la distribució espectral de la irradiació també es molt diferent. La llum solar assumeix la màxima irradiació a una longitud d'ona de 508nm, mentre que un fluorescent té el màxim a 620nm aproximadament.

Figura 1- Espectre led blanc


13

Figura 2- Espectre de la irradiació solar a nivell del mar i sobre l’atmosfera. [1]

Per altre banda, mentre la llum solar és més o menys continua durant curts períodes de temps, amb la llum artificial varia quan està alimentada mitjançant fonts alternes. L'ull humà té una sensació d'il·luminació igual al valor mig, mentre una bombeta connectada a la xarxa elèctrica te una irradiació modulada amb una senyal sinusoïdal de 50hz. Els sistemes de il·luminació amb Leds son dispositius que es polaritzen amb una font de corrent continuo.

Existeixen alguns sistemes de regulació d'il·luminació on la corrent de polarització es un senyal PWN (Pulse Width Modulation), tenint aquest un únic nivell de polarització i regula la il·luminació percebuda variant el valor mig mitjançant la variació de l'ample del pols. Aquesta variació seria percebuda en la il·luminació de la cèl·lules solar i per tant, es descarta aquest sistema de regulació.

Com alternativa treballarem amb reguladors on es fa la variació continua del corrent de polarització del leds. La irradiació espectral del led varia lleugerament amb la corrent de polarització. Aquesta serà la solució adoptada per l'emulador solar.

1.2Radiació solar

Es diu que un material te característiques fotovoltaiques quan aquest al estar exposat a la llum, aquesta por ser absorbida pel material i capaç de ser transformada l’energia dels fotons en energia elèctrica. Així dons la naturalesa espectral de la llum solar es important pel disseny de dispositius fotovoltaics o cèl·lules solars.

El sol es una esfera de gas calenta, escalfada per reaccions en el seu centre de fusió nuclear, que pot arribar a una temperatura interna de 20.000.000K. Es pot aproximar com un emissor perfecte com la d’un cos negre, a una temperatura de 6000K.[2]

La magnitud que mesura la radiació solar que arriba a la superfície terrestre, es la quantitat d’energia rebuda pel sol per unitat de temps i unitat de superfície. La seva unitat es el W/m² (vats per metre quadrat).

Tot i que podríem parlar de radiació contant, en el moment d’arribar a la superfície terrestre, aquesta varia aleatòriament, degut a la absorció i dispersió de l’atmosfera


14

terrestre. Quan tenim un cel clar i la llum incideix en angle perpendicular assoleix màxima radiació, ja que el camí recorregut per l’atmosfera es mínim.

La intensitat i la distribució espectral de la radiació solar que arriba a la superfície terrestre depèn de la composició de l’atmosfera: a la superfície terrestre l’energia solar es troba dintre de l’ interval de longitud d’ona de 0,2 a 2,5 micròmetres, que va des de l’infraroig ( molt abundant per poc energètic) fins l’ultraviolada (poc abundant però molt energètica), estant aproximadament el 48% de l’energia a la zona visible del espectre.[3]

0,2 - 0,38 micròmetres = ultraviolada (6,4% )

0,38 - 0,78 micròmetres = visible (48%).

0,78 - 10 micròmetres = infraroig (45,6%).

La zona útil per les cèl·lules fotovoltaiques comença a 0,35 micròmetres i compren tot l’infraroig. La intensitat màxima de l’energia solar està compresa entre 0,5 y 0,55 micròmetres.

La intensitat i freqüència de l'espectre lluminós generat pel sol sofreix alteracions quan la llum travessa l'atmosfera. Això es deu a l'absorció, reflexió i dispersió que pren lloc dins d'aquesta. Aquestes modificacions depenen de l'espessor de la capa atmosfèrica, denominat “massa d'aire” (AM), i per tant de l'angle zenital del sol, de la distancia terra-sol i de les condicions atmosfèriques i meteorològiques.

S’ha definit la massa d’aire AM1 igual a 1 (Air Mass One), com el gruix estàndard de l’atmosfera travessada perpendicularment a la superfície terrestre, i mesurat a nivell del mar.

Aquest camí que recorre la llum pot aproximar-se per 1/ cos ø quan el sol està a un angle ø respecte al de màxima radiació, així doncs a aquest camí s’anomena com “Air

Mass”.

A la distribució espectral de la llum solar fora de l'atmosfera se la coneix com a AM0. La seva irradiància és essencialment constant de valor 1367Kw/m^2 i és la que s’utilitza per aplicacions espacials.

Quan l’angle ø = 0º , tenim “Air Mass” igual a 1 o AM1 i quan ø=60º , tenim “Air

Mass” igual a 2 o AM2.

No obstant això, l'espectre solar de referència per al camp de la fotovoltaica és el AM1.5 que es l’equivalent a un angle solar , ø =48,2º i te una irradiació molt propera a 970W/. Aquesta irradiació es normalitza a 1000w/ .


15

Figura 3- Efecte de la radiació solar a la superfície terrestre

A la següent figura es mostren les distribucions espectrals AMO, AM1,5 i la d'un cos negre a 5800K.

Figura 4- Distribució espectral de la radiació solar. Representats els cas AM0 , AM1,5 i la corresponent a un cos

negre a 5800K


16

D'altra banda, al radiació solar que arriba a la superfície terrestre desprès de travessar l'atmosfera, es coneix com a radiació solar directa; la dispersada per l'aire i els núvols perden la direcció definida es coneix com radiació solar difusa; m'entres que la radiació reflexa és la radiació solar que, després de ser reflectida per l'entorn de la superfície receptora, incideix en una superfície inclinada. No sol mesurar-se i el seu valor mitjà és el 20% de la radiació global incident sobre superfície horitzontal.

La radiació total sobre la superfície terrestre és la radiació solar que es rep per unitat de superfície. Suposa la suma de les aportacions de la radiació directa, difusa i reflectida. Aquesta superfície, pot tenir una disposició qualsevol, i depenent de la mateixa, variarà la contribució de les components. Sol mesurar-se sobre superfície horitzontal, i posteriorment calcular la radiació global incident en la superfície receptora, però hi ha vegades que es mesura en la mateixa disposició en la qual aniran la superfície d'aprofitament (els panells): en superfície inclinada o amb el seguiment seleccionat per a la instal•lació. Aquesta també se la coneix com a radiació global.[4]


17


orgàniques.

CAPÍTOL 2 – L’E,ERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA.


18

I,DEX

CAPÍTOL 2 - L’ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

2.1HISTORIA I ACTUALITAT

2.2 CONCEPTES BASICS DELS SEMICONDUCTORS

2.2.1 Model d’enllaç

2.2.1Model de bandes

2.2.3Dopatge

2.3JUNCIÓ PN

2.4 CÈL·LULA SOLAR

2.6 TIPOS DE CÈL·LULES SOLARS SEGONS MATERIALS

2.6.1 Cèl·les basades en el silici cristal·lí monocristalines(c-Si) i multicristali (m-Si)

2.6.2 Cèl·les de Pel·lícula Prima (Thin-Film)

2.6.3 Cèl·les de III – V o d’alta eficiencia

2.7 CÈL·LULES ORGÀNIQUES

2.7.1 Principi bàsic d'operació de la cèl·lula solar orgànica

2.7.2 Arquitectura de les cèl·lules solars orgàniques

2.7.3Eficiències de les cèl·lules solars orgàniques

2.7.4 Avantatges de les cèl·lules orgàniques respecte a les inorgàniques

2.8 PANELLS FOTOVOLTAICS ORGÁNICS I CIGS


19

CAPÍTOL 2 - L’energia solar fotovoltaica

2.1 Historia i actualitat

L’efecte fotovoltaic va ser descobert el segle XIX Becquerel, qui va observar que determinats materials, al ser exposats a la llum, produïen una corrent elèctric. Aquest fet es avui dia conegut com l’efecte fotovoltaic i es la base del funcionament de las cèl·lules solars. No es però fins els anys 50 quan es comencen a desenvolupar científicament i tecnològicament els dispositius fotovoltaics, amb el naixement de les tecnologies dels semiconductors i l’electrònica, així com el inici de la carrega espacial i la necessitat de subministrament d’energia elèctrica del primers satèl·lits.

El primer dispositiu va ser desenvolupat el 1954 pels laboratoris de Bell y dos anys mes tard un satèl·lit del tipus Vanguard disposava d’un generador fotovoltaic que alimentava un transmissor de 5mW.

Actualment existeixen una gran varietat d’aplicacions i aquestes contribueixen a la generació massiva o aïllada d’energia elèctrica. La producció mundial de les cèl·lules solars incrementa ràpidament i la quantitat de silici emprat es superior al conjunt dels dispositius semiconductors com són els díodes, transistors, circuits integrats, etc. L'any 2009, la producció dels mòduls fotovoltaics, va superar els 7,500 mega-Watts de producció, on el 80% de les cèl·lules solars es van fabricar en silici mono- i multi-cristal·lins.

Observant els avantatges incomparables d'aquest tipus d'energia, tant a nivell ecològic, com econòmic o purament pràctic, es pot pensar que aquesta serà una de les grans energies del futur. És d'esperar, doncs, que la seva part en la producció mundial augmenti en els propers anys.

Figura 5- Evolució de l’energia solar i diferents energies renovables al llarg del temps

Espanya és el primer mercat fotovoltaic del món perquè és el país on l'energia solar destinada al consum ha crescut més, i és segon del món en quant a potència instal·lada, únicament superada per Alemanya. Segons la Comissió Nacional de l'Energia (CNE), la


20

potència fotovoltaica instal·lada i connectada a la xarxa en el passat mes de gener del present any ascendia a 3.207 megawats (MW), un 381,1% més que en 2008.

En situacions de crisi econòmica com l'actual, l'energia solar és un valor refugio, segur i a l'alça. Al nostre país la distribució de la potència fotovoltaica connectada a la xarxa no està repartida de manera equitativa.

D'aquesta manera, les comunitats autònomes que lideren el rànquing solar són Castella la Manxa, Andalusia i Extremadura. En l'altre costat, se situen Cantàbria, Astúries, Ceuta i Melilla.

Alemanya és en l'actualitat el segon fabricador mundial de panells solars fotovoltaics després de Japó, amb prop de 5 milions metres quadrats de panells solars, encara que només representen el 0,03% de la seva producció energètica total. La venda de panells fotovoltaics ha crescut al món al ritme anual del 20% en la dècada dels noranta. A la UE el creixement mitjà anual és del 30%.

Alemanya és en l'actualitat el segon fabricador mundial de panells solars fotovoltaics després de Japó, amb prop de 5 milions de metres quadrats de panells solars, encara que només representen el 0,03% de la seva producció energètica total. La venda de panells fotovoltaics ha crescut al món al ritme anual del 20% en la dècada dels noranta. En la UE el creixement mitjà anual és del 30%.

Actualment, l'accés a la xarxa elèctrica a Espanya requereix una sèrie de permisos de l'administració i l'autorització de la companyia elèctrica distribuïdora de la zona. Aquesta té l'obligació de donar punt de connexió a la xarxa elèctrica, però en la pràctica la paperassa i la reticència de les elèctriques estan frenant el impuls de les energies renovables. Les elèctriques busquen motius tècnics com la saturació de la xarxa per controlar els seus interessos en altres fonts energètiques i amb la intenció de bloquejar la iniciativa dels petits productors d'energia solar fotovoltaica.

Aquesta situació provoca una greu contradicció entre els objectius de la Unió Europea per impulsar les energies netes i la realitat d'una escassa liberalització a Espanya del sector energètic que impedeix l'enlairament i la lliure competitivitat de les energies renovables.

Els experts aquí consultats (IDEA i el EVE) creuen que hi ha diverses raons, a més de les citades que expliquen l'escàs desenvolupament de l'energia solar:

Condicionants econòmic-finàncers: es necessita fer una inversió inicial elevada que no tothom pot assumir.

El període d'amortització de la inversió és llarg, uns deu anys. Falta de conscienciació ecològica i mediambiental. La societat espanyola té poca informació sobre el tema i no coneix tots

els beneficis i usos de l'energia solar. Absència de normativa necessària per fomentar el seu ús. No es cuida prou la integració de la instal·lació solar als edificis. En alguns casos la falta d'espai pot ser un inconvenient a l'hora de la

instal·lació. La normativa exigida en alguns casos pot retreure a alguns consumidors

interessats: en les instal·lacions fotovoltaiques connectades a xarxa el propietari ha de fer declaració d'IVA cada tres mesos i donar-se d'alta en el impost d'activitats econòmiques, perquè es ven energia a la companyia elèctrica.


21

2.2 Conceptes bàsics dels semiconductors

Parlem d'efecte fotovoltaic com L'absorció de llum per la matèria i la transformació de L'energia de la radiació, fotons, a un corrent elèctric que pot ser directament aprofitat o emmagatzemat.

L'acció de la llum sobre un material produeix transicions a estats d’excitació, generant en el material semiconductor parells electró-buits que mitjançant un mecanisme "adequat" són conduïts a un circuit exterior, on l'energia dels electrons és dissipa o emmagatzema.

Els camps elèctrics es creen per la discontinuïtat energètica que es produeix en les interfases entre diferents materials semiconductors. Bàsicament es pot afirmar que una cèl·lula solar és un díode, el qual produeix sota il·luminació un corrent elèctric, de tal manera que l'efecte de la llum es reflecteix físicament en un desplaçament com es mostra a la corba I-V característica d'un díode, al llarg de l'eix de corrent, com es mostra en la següent figura.

Figura 6- Corba característica d'un díode en foscor i il·luminació

Si suposem un dispositiu ideal en condicions tals que les dues terminals de la cèl·lula solar estiguin directament connectats, condició de curtcircuit, tota corrent generada, , per l'acció de la llum travessa el circuit extern, Figura 6. Quan els terminals del díode es troben en condicions de circuit obert, en il·luminar la cèl·lula apareixerà un potencial de l'equilibri, que és el potencial que queda determinat per les característiques de la unió entre els dos semiconductors i la posició relativa del nivell de Fermi en la interfase.


22

Figura 7- Representació esquemàtica d'un fotodíode en condicions de circuït obert i curtcircuit.

Las propietats elèctriques bàsiques d’un semiconductor es poden explicar mitjançant dos models: el model d’enllaç i el model de bandes.[4] 2.2.1 Model d’enllaç:

El model d’enllaç utilitza els enllaços covalent que uneixen els àtoms de silici per descriure el comportament dels semiconductors a baixes temperatures, aquests enllaços estan intactes i el silici es comporta com aïllant. Figura 8A. Els electrons de valència romanen lligats en els enllaços covalents no disposant-se, per tant, de càrregues lliures que puguin moure's pel cristall sota la presència d'un camp elèctric extern aplicat.

Figura 8A- Baixa temperatura (representació bidimensional d’un cristall de silici)

No obstant això, a temperatures superiors la vibració tèrmica dels àtoms de la xarxa cristal·lina dóna lloc a sacsejades en les quals es trenquen alguns enllaços covalents disposant-se, en tal cas, de càrregues lliures que poden moure's per tot el cristall.


23

A altes temperatures, es trenquen aquests enllaços i la conducció pot tenir lloc degut a: Figura 8B.

Electrons dels enllaços trencats que es mouen lliurement. Electrons dels enllaços pròxims al enllaç trencat que pot moure’s al forat creat,

deixant que es doni lloc la propagació d’aquest forat com una carga positiva.

Figura 8B- alta temperatura (Cristall de silici amb un enllaç covalent trencat.)

2.2.2 Model de bandes El model de bandes descriu el comportament del semiconductor en termes dels nivells d’energia entre la banda de valència i la banda de conducció.

Figura 9- Comportament del semiconductor

Els electrons els enllaços covalents tenen l’energia corresponent a la banda de valència (BV), mentre que a la banda de conductància (BC), els electrons estan lliures. La banda


24

prohibida correspon a l’energia necessària (EG) perquè un electró d’un enllaç covalent es transformi cap a la banda de conducció, on poden conduir un corrent. Els forats que es creen a la banda de valència condueixen a la direcció contraria, tal i com es descriu en el model d’enllaç [7]. 2.2.3 Dopatge Es possible variar el balanç entre forats i electrons en un cristall de silici totalment pur, dopant aquest amb altres àtoms. Els àtoms amb un electró de valència mes que el silici son utilitzats per produir semiconductors del tipus N (Figura 10.A), mentre que els àtoms amb un electró de valència inferior s’utilitzen per produir semiconductors del tipus P (Figura 10.B).

Figura 10- Dopatge. A-tipus N, B- tipus P

Els fotons amb energia inferior a l’energia de la banda prohibida interactuen dèbilment amb el semiconductor quan la llum incideix el material semiconductor. En canvi, el fotons amb energia superior a l’energia de la banda prohibida, interactuen amb els electrons dels enllaços covalents, utilitzant aquesta energia per trencar aquestos enllaços i crear les parelles d’electrons-forats que es mouran lliurement. Aquests electrons i forats se’ls anomena portadors (Figura 11).

Figura 11- Creació d’una parella electró-forat per foto d’energia superior a la de la banda prohibida

Quan major es l’energia del foto, mes ràpid s’absorbeix la llum (Figura 12).


25

Figura 12- Dependència de l’energia del foto amb la generació de parells d’electrons-foradats

2.3 Junció P, La junció PN, figura 11, es crea en ajuntar materials semiconductors del tipus P (gran quantitat de buits) i del tipus N (gran quantitat d'electrons).

Figura 13- Unió de material semiconductor del tipus N i P

En ajuntar aquests materials tipus P i tipus N, l'excés dels buits els materials del tipus P flueixen per difusió cap al material del tipus N. Anàlogament, els electrons en excés els materials del tipus N flueixen cap al material tipus P.

Això crea un camp elèctric i el corresponent potencial de contacte , a la zona de càrrega d'espai, per frenar el corrent, retornant els buits i els electrons en excés a les seves regions de partida.

Si s'aplica un voltatge a la junció amb la polaritat adequada, com es mostra en la figura 14, s'aconsegueix reduir l'efecte del camp elèctric. En aquest punt, el camp elèctric ja no és capaç de parar la fluctuació d'electrons i buits, amb el que es genera un corrent elèctric.[6]


26

Figura 14- Aplicació d’un voltatge a una junció PN.

El potencial es redueix V-i el corrent elèctric augmenta exponencialment amb el voltatge aplicat, segons queda determinat pel model matemàtic de Shockley (Figura 15)[6,7]:

I = − 1 = (1)

On: I = Intensitat de la corrent que travessa el díodes V = Diferencia de tensió entre el seus extrems = !" q = carrega del electró T = Temperatura absoluta de la unió k = Constant de boltzmann n = Factor de idealitat

Figura 15- Característica I(V) d’una junció PN segons el model matemàtic de Schockley.


27

2.4 Cèl·lula solar

La unió de dos semiconductors amb valors d’equació adequats i els seus corresponents contactes elèctrics dóna lloc a una cèl·lula solar fotovoltaica, (Figura 16).

Figura 16- Representació esquemàtica d'una cèl·lula solar fotovoltaica, circuit electrònic equivalent, i d'una cèl·lula

solar de silici.

Una cèl·lula fotovoltaica és una junció PN amb la particularitat que si no està il·luminada es comporta com un díode i per tant, el corrent és la determinada pel model matemàtic de Shockley. En canvi, en estar il·luminada, al corrent determinat pel model matemàtic de Shockley () se li ha de sumar un altre corrent, el corrent fotogenerada (#).[7]

I = $%&' − ( − ) = *- ) (2)

On:

+, = -.//012 3.2.4010/565


28

Figura 17- Característica I(V) d’un cèl·lula fotovoltaica il·luminada

Aquest corrent fotogenerada és deguda al fet que en il·luminar la cèl·lula, els fotons de la llum incident, amb energia superior a l'ample de banda prohibit, generen parells electró-buits que són separats pel camp elèctric de la zona de càrrega d'espai. Aquest corrent fotogenerat per cada cèl·lula fotovoltaica té l'efecte de desplaçar la corba I(V) al quart quadrant, on es genera energia i per tant, és la responsable que el model equivalent d'una cèl·lula ideal sigui una font de corrent. (Figura 18.a).

En el model circuital real es tenen en compte la resistència en sèrie, 7, i la resistència shunt, 78. La resistència en sèrie és deguda a la resistència de càrrega del material semiconductor, als contactes metàl·lics i a les interconnexions i resistències de contacte entre els contactes metàl·lics i el semiconductor. La resistència shunt es deu a les no idealitats i a les impureses prop de la junció PN (Figura 18.b).

Figura 18. Model circuital d’una cèl·lula fotovoltaica: a- ideal, b- real.

Ambdues resistències redueixen les prestacions de la cèl·lula i en presència d'elles, el comportament de la corba I(V) de la cèl·lula solar és la següent:

= # − 9:;<=>?@ A − 1B – DEFG@G@H (4)

Observant el model circuital, es dedueix que cadascuna d'aquestes cèl·lules fotovoltaiques es caracteritza per una tensió entre les seves terminals de connexió i per una intensitat [3].


29

2.5 Las tres generacions de cèl·lules fotovoltaiques

Les cèl·lules fotoelèctriques es classifiquen en tres generacions que indiquen l'ordre d'importància i rellevància que han tingut històricament. En el present hi ha investigació en les tres generacions mentre que les tecnologies de la primera generació són les que més estan representades en la producció comercial actualment.[5] •Primera Generació

Les cèl·lules de la primera generació tenen gran superfície, alta qualitat i es poden unir fàcilment. Les tecnologies de la primera generació no permeten ja avanços significatius en la reducció dels costos de producció. Els dispositius formats per la unió de cèl·lules de silici s'estan apropant al límit d'eficàcia teòrica que és del 31% i tenen un període d'amortització de 5-7 anys

•La Segona Generació

Els materials de la segona generació han estat desenvolupats per satisfer les necessitats de subministrament d'energia i el manteniment dels costos de producció de les cèl·lules solars. Les tècniques de fabricació alternatives, com la deposició química de vapor, i la galvanoplàstia té més avantatges, ja que redueixen la temperatura del procés de forma significativa.

Un dels materials amb més èxit en la segona generació han estat les pel·lícules fines de tel·lur de cadmi (CdTe),CIGS, de silici amorf i de silici micro-amorfo. Aquests materials s'apliquen en una pel·lícula fina en un substrat de suport tal com el vidre o la ceràmica, la reducció de material i per tant dels costos és significativa. Aquestes tecnologies prometen fer majors les eficiències de conversió, en particular, el CIGS-CIS, el DSC i el CdTe que són els que ofereixen els costos de producció significativament més barats. Aquestes tecnologies poden tenir eficiències de conversió més altes combinades amb costos de producció més barats.

•Tercera generació

Es denominen cèl·lules solars de tercera generació aquelles que permeten eficiències de conversió elèctrica teòriques molt majors que les actuals i a un preu de producció molt menor. La investigació actual es dirigeix a l'eficiència de conversió del 30-60%, mantenint els materials i tècniques de fabricació a un baix cost. Es pot sobrepassar el límit teòric d'eficiència de conversió d'energia solar per a un sol material, que va ser calculat en 1961 per Shockley i Queisser en el 31%. No utilitzen turbines ni generador si no la llum natural del sol. Existeixen diversos mètodes per aconseguir aquesta alta eficiència inclòs l'ús de cèl·lules fotovoltaiques amb multi-unió, la concentració de l'espectre incident, l'ús de la generació tèrmica per llum ultraviolada per augmentar la tensió, o l'ús de l'espectre infraroig per a l'activitat nocturna.


30

2.6 Tipus de cèl·lules solars segons materials

Les cèl·lules solars es poden classificar pel tipus de material semiconductor que actua com a absorbidor de la radiació solar, podem establir així els següents grups:

a) Cèl·lules basades en el silici cristal·lí, monocristalins (c-Si) i multicristalins (m-Si);

b) Cèl·lules de làmina prima o capa fina dels seus components actius, pel·lícules de silici (TF-Si), silici amorf (a-Si), calcopiritas (CIGS), tel·luri de cadmi (CdTe);

c) Cèl·lules III-IV o d'alta eficiència.

2.6.1 Cèl·lules basades en el silici cristal·lí monocristalins (c-Si) i policristal·lí (m-Si)

Les primeres cèl·lules solars de Si-C (silici monocristalí) es van fabricar en 1954 Chapin, Fuller & Pearseon 1 954), amb unions n-p mitjançant la difusió tèrmica del bor en una hòstia tipus-n. Per als anys 1 960’s va aconseguir l'eficiència de conversió d'1’4 1’5%.

Després de la crisi petroliera del 1973, les cèl·lules solars de Si-c van ser represes amb major importància per al seu desenvolupament amb la intenció d'aconseguir altes eficiències de conversió i baix cost. Per respondre a aquesta necessitat, van sorgir diverses investigacions per estudiar detalladament les propietats dels materials, estructures i processos de fabricació del dispositiu.

Degut principalment a la seva abundància a la Terra, les cèl·lules fotovoltaiques de Si cristal·lí són les més desenvolupades i utilitzades comercialment. Tant les cèl·lules de Si monocristalí com les de Si policristal·lines (poli-Si) s'elaboren a partir d'hòbleas (wafers o discos) tallats de lingots (mico o policristal·lins). Dels varis mètodes emprats, els més generalitzats són el Czochralski (Si-CZ) i Zona Flotant (Si-FZ). El mètode Czochralski és el més usat comercialment i el més econòmic. El creixement CZ consisteix en fondre el Si en un gresol amb traces del dopant. Utilitzant una llavor cristal·lina amb l'orientació requerida i sota condicions controlades de temperatura, s'extreuen de la fosa lingots cristal·lins entre 10 i 15 centímetres de diàmetre i desenes de centímetres de longitud.

Els cristalls tipus Zona Flotant són molt més costosos i de major puresa. Aquests s'obtenen per una refondició en forma localitzada (2 a 3 cm) del lingot. D'aquesta forma les impureses del cristall són expulsades cap a la superfície del mateix, de tal manera que eliminant aquesta s'obté un lingot de major qualitat que l'original.

Una vegada obtingut el lingot es tallen les oblees d'un espessor de 300µm aproximadament, sent el desaprofitament ocasionat pel tall un dels problemes que incideixen en el cost de les cèl·lules d'aquest material. L'estructura d'una cèl·lula de C-Si consta essencialment d'una capa conductora en la part superior, una pel·lícula antireflectiva o una superfície tractada, una pel·lícula prima de Si tipus N de 0,3 mm (cridada col·lector), la unió, un substrat de Si tipus P de 250µm i un contacte inferior.


31

El Si monocristalí s'utilitza també per fabricar cèl·lules d'alta eficiència per a usos espacials, encara que presenten l'inconvenient d'un pes relativament elevat a causa de l'espessor requerit. L'eficiència més alta aconseguida en cèl·lules a nivell de laboratori de Si-FZ és d'un 25% i en Si-CZ del 22%. Per a cèl·lules il·luminades amb radiació concentrada es van obtenir eficiències de fins al 29%. Les tècniques de fabricació de silici policristal·lí són, en general, més senzilles que les requerides per produir silici monocristalí, mentre que la puresa del material de partida és similar. Quan el Si està fos (abans de créixer els lingots), el material es dopa amb bor a un nivell de 1016 àtoms/cm3, obtenint silici monocristal·lí amb una resistivitat d’ aproximadament 1,5Ω.cm. Les oblees llavors que es tallen són ja silici monocristall. En quant a la diferència entre les cèl·lules monocristalins i policristal·lines, es refereixen al major cost i rendiment de les primeres, i al fet que les cèl·lules policristal·lines estan compostes per diferents tipus de silici, la qual cosa provoca que la cèl·lula passi de tenir un color homogeni a tenir un aspecte no uniforme.

Figura 19- Cèl·lula solar mono-cristal.lina i policristal·lina

2.6.2 Cèl·lules de Pel·lícula Prima (Thin-Film)

En l'actualitat s'estan desenvolupant cèl·lules de silici monocristal·lí i policristal·lí de làmina prima. Per a això es necessita un substrat per proporcionar rigidesa mecànica a causa del reduït espessor de les capes actives de silici, de l'ordre de 5-50 micròmetres, que pot ser de baixa qualitat, vidre, materials ceràmics o grafit. Aquest substrat defineix la màxima temperatura assolible en el procés de fabricació. A causa de la creixent demanda de material per a la fabricació de cèl·lules solars, s'estan desenvolupant nous processos tecnològics orientats a l'optimització del material utilitzat ( fabricació de cèl·lules cristal·lines més primes, millora dels processos de tall, creixement de làmines de silici d'espessor igual al de la cèl·lula evitant el desaprofitament de material en el procés de tall ).

La tecnologia de capa prima està constituïda per materials amb un espessor entre 1 i 10µm i es fabriquen mitjançant processos capaços de produir grans volums a baix cost.

Disseny d’un sistema de mesures d’espectroscòpia de voltatge per la caracterització de solars orgàniques.

Així dons la tecnologia threqueriments energètics de producció enfront de les de cèl·lules comercials de capa prima han aparegut al mercat durant l'última dècada: les cèl·lules de silici amorf (apolicristal·lí amb substrat de baix cost, les Coure-Indi/Sulfuro Cadmi (CuInSe2/CdS) i les de Cadmi/Sulfur de Cadmi (CdTe/CdS). actualment ha aconseguit la quota de mercat més important, són les prima de silici amorf.

2.6.3 Cèl·lules de III – V o d’alta

Els semiconductors III-V, com l'arsenude la columna III de la taula periòdica i un element de la columna V. Les seves propietats els fan idonis per a la conversió fotovoltaica, permetent la fabricació de cèl·lules de molt alta eficiència, encara

Des del punt de vista de la conversió fotovoltaica, elsunes característiques privilegiades. Amb aquest materials es pot fer una autèntica enginyeria de materials i poden ternaris com el AlGaAs o el GaInP, quaternaris com el GaInNAs, AlGaInP, etc

Les cèl·lules basades en semiconductors IIIal mercat de mòduls fotovoltaics espacials. Durant dècades s'ha invesutilització en mòduls fotovoltaics per a aplicacions terrestres, mitjançant l'ús de la concentració fotovoltaica. Es tracta d'encapsular aquestes eficiència i àrea molt petita, en un sistema òptic que concentri lacèl·lula rep, incrementant la potència generada de manera que els costos puguin reduirse i el sistema arribar a ser econòmicament viable en instal·lacions fotovoltaiques terrestres.

Figura 20: Esquema

istema de mesures d’espectroscòpia de voltatge per la caracterització de

a tecnologia thin-film desenvolupa cèl·lules amb menor cost i menorsenergètics de producció enfront de les cèl·lules de C-Si. Els diferents tipus

es comercials de capa prima han aparegut al mercat durant l'última dècada: les orf (a-Si) amb estructura multi-unió, les de capa prima de silici

policristal·lí amb substrat de baix cost, les cèl·lules de hetero-unió de diseleniuro de Indi/Sulfuro Cadmi (CuInSe2/CdS) i les cèl·lules, també de hetero

de Cadmi (CdTe/CdS). Dels diferents tipus, la tecnologia que ha aconseguit la quota de mercat més important, són les cèl

V o d’alta eficiència

V, com l'arsenur de gal·li (GaAs), estan formats per un element de la columna III de la taula periòdica i un element de la columna V. Les seves propietats els fan idonis per a la conversió fotovoltaica, permetent la fabricació de

de molt alta eficiència, encara que a un cost molt elevat.

Des del punt de vista de la conversió fotovoltaica, els semiconductors IIIunes característiques privilegiades. Amb aquest materials es pot fer una autèntica enginyeria de materials i poden obtenir compostos binaris com el GaAs o el InP, ternaris com el AlGaAs o el GaInP, quaternaris com el GaInNAs, AlGaInP, etc

basades en semiconductors III-V han estat utilitzades tradicionalment per al mercat de mòduls fotovoltaics espacials. Durant dècades s'ha investigat també la seva utilització en mòduls fotovoltaics per a aplicacions terrestres, mitjançant l'ús de la concentració fotovoltaica. Es tracta d'encapsular aquestes cèl·lules eficiència i àrea molt petita, en un sistema òptic que concentri la radiació solar que la cèl·lula rep, incrementant la potència generada de manera que els costos puguin reduirse i el sistema arribar a ser econòmicament viable en instal·lacions fotovoltaiques

: Esquema de funcionament de la concentració fotovoltaica.

istema de mesures d’espectroscòpia de voltatge per la caracterització de cèl.lules

32

amb menor cost i menors Els diferents tipus

es comercials de capa prima han aparegut al mercat durant l'última dècada: les unió, les de capa prima de silici

unió de diseleniuro de es, també de hetero-unió, de Telur

Dels diferents tipus, la tecnologia que cèl·lules de capa

r de gal·li (GaAs), estan formats per un element de la columna III de la taula periòdica i un element de la columna V. Les seves propietats els fan idonis per a la conversió fotovoltaica, permetent la fabricació de

semiconductors III-V posseeixen unes característiques privilegiades. Amb aquest materials es pot fer una autèntica

com el GaAs o el InP, ternaris com el AlGaAs o el GaInP, quaternaris com el GaInNAs, AlGaInP, etc

V han estat utilitzades tradicionalment per tigat també la seva

utilització en mòduls fotovoltaics per a aplicacions terrestres, mitjançant l'ús de la es de molt alta

radiació solar que la cèl·lula rep, incrementant la potència generada de manera que els costos puguin reduir-se i el sistema arribar a ser econòmicament viable en instal·lacions fotovoltaiques


33

Concentrant la llum X vegades sobre la superfície de la cèl·lula, s'aconsegueix multiplicar la seva potència aproximadament per X. D'aquesta manera se substitueix el material semiconductor, d'elevat cost, per elements òptics més econòmics.

Sovint, els sistemes òptics utilitzats per concentrar la llum solar, tenen com a requisit que aquesta arribi al sistema amb incidència perpendicular. Això implica, d'una banda, que només aprofiten una porció de la radiació solar (aquella denominada directa, que prové directament del disc solar), i per un altre, que requereixen ser instal·lats en sistemes de seguiment solar, de manera que en tot moment estiguin orientats al sol.

Avui dia existeixen ja productes madurs a nivell comercial i s'han instal·lat les primeres plantes fotovoltaiques amb tecnologia III-V i concentració. Encara que el volum de mercat és encara inferior al 1%, les expectatives de la EPIA són que aquesta tecnologia i la resta de tecnologies emergents, arribin al 6% del mercat global l'any 2020. Actualment les cèl·lules III-V s’acostumen a fabricar en configuració de multi-unió.

Les cèl·lules solars, en funció de les propietats del semiconductor amb que estiguin fetes, aprofiten nomes una regió de l'espectre de la llum incident. Les cèl·lules de multi-unió estan formades per diverses cèl·lules “apilades” unes damunt d'unes altres, de manera que cadascuna d'elles s'optimitza per absorbir una regió de l'espectre. La primera cèl·lula ha de tenir l'energia del gap més gran, i absorbirà solament els fotons de més alta energia, deixant passar la resta, que seran absorbits en les cèl·lules successives, sempre amb energia del gap decreixent. Amb aquesta tecnologia actualment s'han aconseguit eficiències superiors al 40%, amb una concentració entorn dels 400 sols (és a dir, una irradiància de 400 kW/m2). A nivell comercial les eficiències típiques del mòdul de concentració estan en el rang 20-25%.

Cèl·lules multi-unió

El principal objectiu de les cèl·lules solars formades per diverses unions de semiconductor és aconseguir un dispositiu amb una major capacitat d'absorció de l'espectre solar, i per tant amb major eficiència. Això s'aconsegueix mitjançant l'addició de cèl·lules amb diferents band-gap, a costa d'una major complexitat i sensibilitat espectral. Això redueix algunes de les pèrdues a causa de les limitacions del band-gap.

Cada tipus de semiconductor es caracteritza per una banda d'energia, que el fa més sensible a la llum d'un determinat color, o dit de manera més precisa, a l’absorbir radiació electromagnètica d'una determinada regió de l'espectre.

Les cèl·lules solars multi unió o tàndem poden fer un millor ús de l'espectre solar per tenir múltiples capes de semiconductors amb diferent salt energètic de bandes. Cada capa està feta d'un material diferent, que en general és un semiconductor del tipus III-V, i absorbeix una porció diferent de l'espectre. La capa superior té el major band-gap de manera que només els fotons més energètics són absorbits en aquesta capa. Els fotons menys energètics han de passar per la capa superior, ja que no són prou energètics per generar parells electró-buit en el material. Cada capa, des del cim fins al fons, té un buit de banda menor que l'anterior. Per tant, cada capa absorbeix els fotons que tenen energies superiors al band-gap d'aquesta capa. La forma més comuna de la cèl·lula solar multi-unió es compon de tres capes, la qual cosa es diu una cèl·lula solar de triple unió.


34

2.7 Cèl·lules Orgàniques

Des de fa algun temps s'està investigant en la possibilitat d'utilitzar substàncies orgàniques (plàstics o polímers) de baix cost per confeccionar panells solars. En aquest cas no només la seva producció seria menys costosa, sinó que a més la seva instal·lació seria més fàcil, podent fins i tot ajustar a les formes arquitectòniques a causa de la seva flexibilitat.

Les cèl·lules orgàniques estan fabricades en plàstic, el qual és flexible i fins i tot es podria aplicar en forma de pintura sobre murs. Les cèl·lules orgàniques estan basades en polímers i en diferents estructures dels àtoms de carboni. Com a norma, perquè una cèl·lula solar sigui eficient es necessita que converteixi més del 10% de l'energia rebuda en electricitat. Per al cas de les cèl·lules de silici aquest percentatge s'eleva al 12%.

Fins ara les cèl·lules de polímers arribaven només el 0,001% l’any 1975 o el 1% l’any 1975, incrementant considerablement el darrers anys amb un 4.8% el 2006, 8,3% 2010 i un 9,1%l’any 2011. Aquest assoliment fa que s'estigui una mica més prop d'una cèl·lula solar de polímer comercial.

Gran part de les investigacions estan enfocades fonamentalment en els mecanismes físics de funcionament, els problemes d'estabilitat i el principalment augment l'eficiència per obtenir un rendiment acceptables per a la seva aplicació. La referència que es té per saber si són viables per a la seva comercialització és l'eficiència de les cèl·lules solars de silici amorf, valor que ha de ser igual o major del 10%, i es preveu que això succeeixi abans d'arribar al 2020.

2.7.1 Principi bàsic d'operació de la cèl·lula solar orgànica

La majoria de les cèl·lules solars orgàniques consten d'una o més capes actives col·locades entre dos elèctrodes de materials diferents. Un dels elèctrodes ha de ser semitransparent o transparent, utilitzant amb freqüència l'Òxid d'Estany – Indi (ITO pel seu nom en anglès Indium Tin Oxidi). L'altre elèctrode és un metall la funció del qual de treball d'extracció és menor, que ha de formar un contacte òhmic amb la capa activa.

El principi d'operació d'una cèl·lula solar orgànica inclou els següents aspectes:

1. Es fa incidir fotons en la capa orgànica absorbidora donant com resultat la fotoexcitació. Aquesta capa orgànica, en la seva forma més elemental, està constituïda d'una sola capa de polímer semiconductor, encara que més freqüentment està constituïda per una barreja de dues o més polímers semiconductors. El primer d'aquests polímers és un material tipus p, que actua com donador d'electrons, i el segon, és un material tipus n que actua com a acceptador.

2. Els fotons incidents creen excitons a la capa activa, on el excitó està format per un polaró electró i un polaró buit que es troben enllaçats.

3. Per dissociar el excitó en polaró electró i polaró buit (d'ara endavant anomenats sol electró i buit), es requereix una energia superior a 250meV, per la qual cosa el excitó ha de desplaçar-se fins a la hetero-unió formada entre el material donador i el material acceptador. Generalment aquest procés pren lloc en un interval de temps ultra curt d’ aproximadament 45fs, i depèn dels tipus de


35

polímers semiconductors utilitzats. La longitud que pot desplaçar-se també és molt petita, de l'ordre entre 10 i 20 nm.

4. Una vegada separat en electró i buit, aquests portadors han de ser transportats a través del material tipus n i tipus p, respectivament, fins a aconseguir els elèctrodes on han de ser recol·lectats. En el cas en què la capa activa estigui formada per un sol material semiconductor, el procés de separació requereix que l'energia requerida sigui subministrada d'alguna forma sent aquesta provinent de l'asimetria de les funcions de treball dels elèctrodes.

5. Les càrregues són recol·lectades en els elèctrodes; els buits en l'ànode i els electrons en el càtode.

2.7.2 Arquitectura de les cèl·lules solars orgàniques

La classificació de les diferents estructures que es tenen per les cèl·lules solars Orgàniques:

1. Cèl·lules solars d'una capa 2. Cèl·lules solars bicapa 3. Cèl·lules solars multicapes 4. Cèl·lules solars de hetero-unió de volum 5. Cèl·lules nano-estructuradas

Híbrides (orgànica---inorgànica) en forma de pilar Orgànica en forma de pilar Altres tipus: nano parets, nano-puntes, nano-tubs, nano-capsules, nano-cables helicoïdals

6. Cèl·lules solars híbrides (orgàniques---inorgàniques) Cèl·lules Tinta (Dye) Cèl·lules de Punts (Dots) Cèl·lules de Nanocables (nanowire)

El motiu principal dels diferents tipus d'arquitectures de les cèl·lules solars orgàniques és per trobar la més òptima, que sigui estable i amb màxima eficiència entre d’altres paràmetres d'interès.


36

Figura 21. Representació de les diferents arquitectures de les cèl·lules solars orgàniques. 1. cèl·lula d’una capa, 2. Cèl·lula bicapa, 3. Cèl·lula multicapa, 4. Cèl·lula d’ hetero-unió de volum, 5. Cèl·lula nano-estructurada, 6. Cèl·lula híbrida del tipus tinta (Dye).

2.7.3 Eficiències de les cèl·lules solars orgàniques

Les majors eficiències obtingudes en diferents tipus de cèl·lules solars orgàniques es mostren en la figura 25, d'acord a la classificació feta en l’apartat anterior.

Figura 22. Eficiències de les cèl·lules solars d'acord a la classificació d'estructura realitzada. 1. Cèl·lules solars d'una capa, 2. Cèl·lules solars bicapa, 3. Cèl·lules solars multicapes, 4. Cèl·lules solars de hetero-

unió de volum BHJ, 5 Cèl·lules híbrides organo-inorgàniques (Dye).


37

2.7.4 Avantatges de les cèl·lules orgàniques respecte a les inorgàniques

Les cèl·lules solars orgàniques presenten fins ara una menor complexitat en el processament tecnològic, així com el seu procés de fabricació resulta menys costosos, fins i tot si es compara amb el Si amorf. L'ús de tècniques com el dipòsit per girat, per degoteig i / o impressió per injecció de les pel·lícules permetran probablement la manufactura “en línia”.

Les propietats mecàniques dels polímers permeten dipositar pel·lícules en superfícies grans i fins i tot en substrats flexibles, la qual cosa pot permetre instal·lar cèl·lules solars que segueixin la superfície del lloc sense afectar el seu acompliment elèctric. Quant a propietats òptiques, pel ja esmentat anteriorment, poden ser semitransparents o amb alt coeficient d'absorció en el visible. També, com ja es va assenyalar, és possible dissenyar polímers amb l'ample de banda requerit i altres propietats necessàries per a alguna estructura específica.

La comercialització de les cèl·lules solars orgàniques està determinada per factors com la seva eficiència, temps de vida i costos per watt pico generat (Wp). En aquests moments si comparem aquests paràmetres abans esmentats amb els quals s'obtenen en cèl·lules solars de silici amorf, es troba encara molt per sota, per la qual cosa es requereix encara molt treball de recerca per aconseguir els resultats esperats.

2.8 Panells fotovoltaics orgànics i CIGS

Aquestes cèl·lules solars no s’acostumen a utilitzar-se individualment sinó que es interconnecten, formant així el que coneixem com a mòduls fotovoltaics. Aquesta interconnexió de cèl·lules pot ser en paral·lel o en sèrie.

En el cas de construir el panell fotovoltaic amb la interconnexió de cèl·lules en paral·lel, la tensió d'aquest serà la mateixa que la d'una cèl·lula individual mentre que la intensitat serà idealment la suma de les intensitats de totes les cèl·lules connectades. En canvi, es poden interconnectar en sèrie, la intensitat total del panell serà la d'una cèl·lula mentre que la tensió total serà la suma de les tensions de totes elles.

Figura 23- Interconnexions en paral·lel i en sèrie de cèl·lules solars


38

En connectar en sèrie les cèl·lules fotovoltaiques, la intensitat que circula veu limitada per la pitjor dels corrents de cadascuna de les cèl·lules que formen el array. Això cal tenir-ho en compte en utilitzar-les, evitant possibles efectes d'ombra local, que disminueixin el valor del corrent.

Aquestes sèries de cèl·lules s'encapsulen habitualment entre vidre i/o pel·lícules polimèriques com a polièster, tedlar, etc. Per al seu segellat enfront de la humitat, s'utilitza l'acetat de vinil-etilè o resines de silicona, i si és necessari es col·loquen sobre un marc metàl·lic per donar rigidesa al mòdul i proveir de punts d'ancoratge i muntatge; el dispositiu final després de tot aquest procés d'integració es coneix com a mòdul fotovoltaic.

L’ús de panells fotovoltaics per a la generació elèctrica en els últims anys ha permès que la indústria de panells desenvolupi noves tecnologies per produir panells cada vegada de menor cost.

Actualment existeixen diverses solucions tècnicament viables per a la generació d'electricitat a partir de llum solar, basades fonamentalment, en cèl·lules fotovoltaiques de silici relativament cares. Les tecnologies actuals de pel·lícula prima basades en el silici podrien estar arribant al límit quant a la relació eficàcia-cost. A més el nou preu de l'energia per a les instal·lacions de tecnologia solar fotovoltaica a Espanya exigeix una important reducció en la inversió per a la seva viabilitat econòmica. El principal cost aquesta en els panells fotovoltaics.

Els fotovoltaics orgànics (OPV) compten amb l'avantatge que es poden pintar sobre una superfície, amb les parets exteriors d'un edifici o la teulada. A més es poden elaborar per mitjà de processos d'impressió i de recobriment d'alta velocitat i escalables, com les pintures en aerosol i la impressió d'injecció de tinta per cobrir àrees més extenses. Els mòduls de pel·lícula prima (thin-film) no estan fets a força de cèl·lules de silici convencionals, sinó que es basen en CIGS (Coure Indi Gal·li Seleni) incrustades en un suport flexible i lleuger i aptes per col·locar-les no només sobre les teulades, sinó també sobre la façana dels edificis, finestres, telèfons mòbils, ordinadors portàtils i cotxes.

Aquestes noves tecnologies que es revelen com més rendibles i ressò eficients, constitueixen una alternativa de baix cost que permet la inversió concorde a les condicions econòmiques del preu de l'energia a Espanya i el món.

En aquest projecte únicament treballarem amb les cèl·lules solars orgàniques, i les tendències al futur.


39


orgàniques.

CAPÍTOL 3 – DISSE,Y I IMPLEME,TACIÓ


40

I,DEX

CAPÍTOL 3 - Disseny i Implementació

3.1.Introduccio

3.2.Descripcio del sistema

3.3.Descripcio dels material utilitzats

3.3.1 Leds

3.3.2.Font d’alimentació

3.3.3. Oscil·loscopi

3.3.4.Generador de funcions

3.3.5.Circuit integrat

3.3.6.Cèl·lula solar

3.4 Mesura d’extracció de carrega

3.4.1 Introducció

3.4.2 mesures

3.4.3 Càlculs realitzats amb la cèl·lula 1:


3.4.5 Comparació de resultats cèl·lula 1 i cèl·lula 2


41

CAPÍTOL 3 - Disseny i Implementació

3.1 Introducció:

Actualment el camp dels circuits i dispositius optoelectrònics s'està convertint en una part important dels estudis d'enginyeria. Dispositius com els fotodetectors, semiconductors làser… es presenten sovint amb indicacions o explicacions de com poden ser aplicats a circuits en els quals puguin operar en conjunció amb altres dispositius electrònics més convencionals com poden ser díodes, transistors, i altres components discrets.

Això es deu en part al fet que els dispositius optoelectrònics poden ser analitzats mitjançant diferents mètodes molt diferent. L’objectiu d’aquest projecta es basa en un sistema format per un conjunt d’aparells per tal de caracteritza cèl·lules solars amb característiques semblants, i d’aquesta manera poder treure’n resultats per ser comparats, analitzats i estuadiar els resultats.

El criteri utilitzat en el disseny i utlitzacóo de materials ha estat segons les necessitats i mitjans disponibles, aixi com els materials i aparells dels que es disposen en el mateix centre.

El muntatge pel qual s'ha optat per dur a terme la mesura d'una cèl·lula solar és el que a continuació s'especifica.

3.2 Descripció del sistema:

El nostre sistema esta format per 6 parts, la font d’alimentació, l’anell de leds, el circuit integrat, l'oscil·loscopi, generador de funcions i cèl·lula solar.

1. Leds: Amb una base circular d’alumini utilitzada de base es disposen leds en serie segons les indicacions del fabricant. Mitjançant aquest leds enllumenarem la cèl·lula solar.

2. Font d’alimentació: Utilitzem una font d’alimentació per tal d’alimentar els leds utilizats i el circuit.

3. Osciloscopi: Utilitzarem un oscil·loscopi per tal d’observar el voltatge de la resistència 2, segons el voltatge obtingut i tenint un valor de resistència de 50 ohms, obtenim la intensitat total. Intensitat que ha estat emmagatzemada per la cèl·lula solar.


42

4. Generador de funcions:

Utilitzem un generador de funcions per generar un senyal per activar el transistor T1 i un senyal de trigger per activar l’osciloscopi

5. Circuit integrat: Mitjançant la utlització d’un circuit integrat es permet facilitar la sincronització de la il·luminació mitjançant leds i captura de la tensió dissipada per la mateix cèl·lula solar.

6. Cèl·lula solar: Utilitzem dos tipus de cèl·lules solars orgàniques de la pròpia universitat, per tal d’estudiar la seva densitat de carrega i comprovar el correcta funcionament del sistema.

A la següent figura podem observar cada una de les parts del sistema.

Figura 24- Sistema de caracterització


43

3.3 Descripció dels material utilitzats:

3.3.1 Leds:

El tipus d'il·luminació triat per a aquestes sistema és de tipus LED. Els LED utilitzats són LED de la marca LUXEON® Power Light , fabricats específicament per ser utilitzats en sistemes d'il·luminació, aquests semiconductors es caracteritzen per la seva gran eficàcia, baixa relació potència-consúm i clara representació d'exemple d'energia sostenible i eficiència energètica.

Un díode LED, acrònim anglès: Light-Emitting Diode ( diode emissor de llum) és un dispositiu semiconductor que emet llum monocromàtica quan es polaritza en directa i és travessat pel corrent elèctric. En la següent figura es pot observar un esquema detallat de l'estructura d'un LED.

Figura 25- Estructura d’un LED

Com es pot observar en la figura 25 un LED típic conté un xip semiconductor, emissor de llum, i uns terminals on recolzar el xip (per on, al seu torn, li arriba el corrent). Tot això recobert per un encapsulat de epoxy que serveix de protecció i de lent per enfocar la llum.

Els primers LEDs es van fabricar, a principis dels anys 60, per l'empresa Texas Instruments. Aquests primers LED estaven disponibles només en infraroig. El primer díode LED que emetia en l'espectre visible va ser desenvolupat per l'enginyer de General Electric Nick Holonyak en 1962.


44

Quan un led es troba en polarització directa, els electrons poden recombinar-s'ha amb els buits en el dispositiu, alliberant energia en forma de fotons. Aquest efecte és anomenat electroluminescència i el color de la llum (corresponent a l'energia del fotó) es determina a partir de la banda d'energia del semiconductor.

Figura 26- Distribución de d’intensitat en funció de la Longitud d’ona

Els primers díodes construïts van ser els díodes infrarojos i de color vermell, i van permetre el desenvolupament tecnològic posterior de la fabricació de díodes per a longituds d'ona cada vegada menors. En particular, els díodes blaus van ser desenvolupats a la fi dels 90 per Shuji Nakamura, afegint-s'ha als vermells i verds desenvolupats amb anterioritat, la qual cosa va permetre, per combinació dels mateixos, l'obtenció de llum blanca.

Els Leds utilitzats per la il·luminació del sistema son del fabricant LUXEON amb referència LXHL-NWE8 produeixen 45 lúmens de llum blanca i brillants amb un temps de resposta de l’ordre dels 100ns i amb una eficiència energètica mes eficient que les incandescents i la majoria de llums halògenes. Construït tenint en compta la protecció ESD i generant un feix de llum fred i segur al tacte, amb un temps de vida útil de fins a 100.000 hores.

Especificacions:

Lúmens a 350 mA de 45 lm Max Corrent contínua de 350 mA De tensió directa 3,42 Vf Longitud d'ona 5500 K Tipus de LED Star/O 0,6 g de pes


45

Figura 27- Led LXHL-NWE8 Luxeon Star Warm White

Figura 28: Corrent directa màxima en funció de temperatura ambient.

Amb un espectre de distribució dels leds de llum blanca segons la figura 29.

Figura 29: Espectre de distribució de led blanc


46

Com podem veure ala següent imatge per tal de centrar la llum utilitzem una base d’alumini en forma d’anell on es connectant els 10 leds blancs en sèrie i subjectes a l’anell d’alumini segons les indicacions del fabricant.

Figura 30: Anell d’alumini amb 10 leds

Figura 31: Anell d’alumini amb 10 leds


47

3.3.2 Font d’alimentació:

Utilitzem una font d’alimentació continua de la marca Proxmax amb referència FAC-364C per tal d’alimentar el circuit integrat i il·luminar mitjançant leds la cèl·lula solar.

Les fonts d'alimentació PROMAX,ofereixen la versatilitat i fiabilitat requerides en una àmplia gamma d'aplicacions,per la seva robusta construcció,proteccions integrades i aplicacions multi-funcionals. Imprescindible per a laboratoris, cadenes de producció, escoles i tallers tècnics. Ofereixen gran importància en la protecció. Per termòstat, sobretensió, sobrecàrrega, curtcircuit i limitació d'intensitat. Una robusta caixa metàl·lica assegura la resistència de les fonts i redueix l'emissió de soroll electromagnètic.

Figura 32: Font d’alimentació FAC-364c

La FAC-364c és una font d'alimentació de 125W que proporciona una sortida contínua regulable de 0 a 30 V i de 0 a 4 A. Disposa de proteccions contra sobrevoltatge, sobrecorrent, sobre potencia i excés de temperatura, la qual cosa proporciona als usuaris un entorn de treball segur. Totes les sortides estan totalment protegides contra curtcircuit, en qualsevol posició dels controls, ja que el corrent màxim que poden subministrar està limitada.


48

Especificaciones FAC-364C

Variable outputs

0 - 15V / 0 - 4A 0 - 30V / 0 - 2ª

Internal resistenace 6 mΩ (1 kHz) 10 mΩ (1 kHz)

Load regulation Constant voltage Contant current

≤0.002% + 2 Mv

Mains regulation Constat voltage

≤0.002% + 2 mV

,oise and hum Constant voltage ≤500 µV rms

Measuring instruments Accurancy Voltimeter resolution Ammeter resolution

Digital, V y A ±(0.1% reading ± 1 digit)

10 mV / 100 mV 1 mA / 10 mA

Power supply Mains voltage Consumption

110 - 125 - 220- 24 - V AC / 50 – 60 – 80 – 100 - 125 W

Mechanical features Dimensions (mm) Weight

230 x 145 x 290 6,7kg

El nostre sistema treballarem amb la font d’alimentació connectada al sistema amb una tensió d’entre els 20 V – 30 V i 2 A, suficient per alimentar el 10 leds connectats en serie.

Figura 33: Font d’alimentació FAC-364c


49

3.3.3 Oscil·loscopi:

Un oscil·loscopi és un instrument de mesura electrònic per a la representació gràfica de senyals elèctrics que poden variar en el temps. És molt utilitzat en electrònica de senyal, freqüentment al costat d'un analitzador d'espectre. En el nostre projecta l’utilitzarem tant per observar el senyal del general de funcions per un dels canal i el senyal de la resistència R2 per l’altre canal, es a dir la descarrega de la cèl·lula solar.

Tot oscil·loscopi presenta els valors dels senyals elèctrics en forma de coordenades en una pantalla, en la qual normalment l'eix X (horitzontal) representa temps i l'eix I (vertical) representa tensions. La imatge així obtinguda es denomina oscil·lograma.

Els oscil·loscopis poden ser classificats segons el seu funcionament intern, poden ser tant analògics com a digitals, sent el resultat mostrat idèntic en qualsevol dels dos casos, en teoria.

Per el nostre sistema hem optat per la utilització del sistema mes modern, un oscil·loscopi digital, Teltronix TDS1002B, tenint així la possibilitat de transferir les mesures a un ordinador o USB.

Figura 34: Teltronix TDS1002B


50

Actualment els oscil·loscopis analògics estan sent desplaçats en gran mesura pels oscil·loscopis digitals, entre altres raons per la facilitat de poder transferir les mesures a una computadora personal o pantalla LCD. En l'oscil·loscopi digital el senyal és prèviament digitalitzat per un convertidor analògic digital. En dependre la fiabilitat de la visualització de la qualitat d'aquest component, aquesta ha de ser cuidada al màxim. Les característiques i procediments assenyalats per als oscil·loscopis analògics són aplicables als digitals. No obstant això, en aquests es tenen possibilitats addicionals, tals com el tret anticipat (pre-triggering) per a la visualització d'esdeveniments de curta durada, o la memorització del oscil·lograma transferint les dades a un PC. Això permet comparar mesures realitzades en el mateix punt d'un circuit o element. Existeixen així mateix equips que combinen etapes analògiques i digitals. La principal característica d'un oscil·loscopi digital és la freqüència de mostreig, la qual determinarà l'ample de banda màxim que pot mesurar el instrument, ve expressada generalment en MS/s (milions de mostra per segon).

La majoria dels oscil·loscopis digitals en l'actualitat estan basats en control per FPGA (de l'anglès Field Programmable Gate Array), el qual és l'element controlador del convertidor analògic a digital d'alta velocitat de l'aparell i altre circuïtería interna, com a memòria, buffers, entre uns altres.

Els oscil·loscopis d'emmagatzematge digital de les sèrie TDS2000B ofereixen una combinació de rendiment i facilitat d'ús orientat a la utilització del aparell en disseny i depuració de sistemes, entorns educatius i formatius, així com proves de fabricants i controls de qualitat.

Amb un ample de banda de fins a 200 MHz i una velocitat màxima de mostreig de 2 GS/s, 2 canals, també proporcionen una adquisició precisa en temps real de fins a tot el seu ample de banda, la mateixa longitud de registre en totes les configuracions bàsiques de temps, trets avançats per aïllar els senyals d'interès i 11 mesures automàtiques estàndard. La transformada ràpida de Fourier (FFT) i les funcions matemàtiques de suma, resta i multiplicació sobre les formes de l'ona permeten analitzar, caracteritzar i resoldre els problemes dels circuits.

Disposa d’una pantalla LCD monocromàtica amb una interfase multi idioma amb ajuda sensible al context . Emmagatzematge mitjançant port USB en el panell frontal, connectivitat transparent al PC mitjançant un port USB per a dispositius amb el programa inclòs OpenChoice i NI SignalExpress PC Programari. Dispars avançats, incloent dispars per ample de polsos i de vídeo amb selecció de línea. També permet la impressió directa mitjançant por USB.

Gràcies a la seva senzilla interfície d'usuari, basava en controls clàssics de tipus analògic, aquests instruments són fàcils d'utilitzar, per la qual cosa es redueix el temps d'aprenentatge i s'incrementa l'eficiència. Funcions innovadores com a menú de


51

autoconfiguració, el menú d'ajuda sensible al context i la seva pantalla LCD optimitzen la configuració i el funcionament del instrument.

En disposar d'un port USB es poden emmagatzemar dades en dispositius de memòria extraïbles, realitzar connexions amb PCs i imprimir directament. Mitjançant aquesta innovació i software inclòs es podran guardar i analitzar amb gran facilitat els resultats de mesures.

3.3.4 Generador de funcions:

El generador de funcions és un equip capaç de generar senyals variables en el domini del temps per ser aplicades posteriorment sobre el circuit sota prova.

Les formes d'ona típiques són les triangulars, quadrades i senoïdals. També són molt utilitzades els senyals TTL que poden ser utilitzades com a senyal de prova o referència en circuits digitals.

Altres aplicacions del generador de funcions poden ser les de calibratge d'equips, rampes d'alimentació d'oscil·loscopis, etc

Encara que existeixen multitud de generadors de funcions de major o menor complexitat tots incorporen certes funcions i controls bàsics.

Figura 35- TGP110 – 10 MHz generador d'impulsos amb retard


52

TGP110 – 10 MHz generador d'impulsos amb retard, 0.1Hz a 10 MHz rang de freqüència de control independent de la freqüència del pols, ample i retardar 50 ns mínim d'ample de pols d'ona quadrada, pols doble i maneres de retard del pols lliure, tancades i les maneres activades per sortida de 50 ohms: 0,1 V a 10V amplitud TTL / CMOS i sortides de sincronització. L'arquitectura d'un generador de polsos dedicat permet generar polsos d'un ample conjunt independentment de la taxa de repetició que ofereix cicles de treball que es poden estendre cap avall a 1 en 100 milions.

A més d’oferir opera en contínua, polsos individuals o múltiples poden ser generades en resposta a trigger o senyals d’entrada amb relacions temporals definides amb precisió.

TGP110 ofereix retard seleccionable entre la sortida de sincronització i sortida d'impulsos. En la manera disparada també estableix el retard entre un senyal de trigger i el començament del pols. Aquest pot generar amplituds de pols entre 50ns i 5s, el rang de període es de 100 ns a 10ns, equivalent a un rang de freqüència de repetició de 10MHZ a 0.1Hz. El retard és ajustable de forma independent en el mateix rang com l'ample de pols. Un interruptor de complement inverteix la polaritat.

En el mode de pols quadrat, les ones quadrades es generen a una freqüència establerta pel període de control. En el mode de doble impuls, un segon impuls és generat dins de cada període d'un retard establert després del inici del primer pols. El retard és ajustable independentment. Cada paràmetre és variable dins de 8 rangs dècada i proporciona un control contínuament variable dins de cada rang. Especificacions: •PERÍODE Rang: 100 nsec a 10 seg (10 MHz a 0,1 Hz). Jitter: <0,1%. •AMPLE DE POLS Rang: 50 nSeg a 5 seg Jitter: <0,1%. •DELAY Rang: 50 nSeg a 5seg •TRIGGER PDC a 10 MHz tren de polsos en sincronisme amb els impulsos d'activació externa, ample de pols determinat pels controls d'ample de pols. El dispar es pot generar manualment des del botó del panell frontal.


53

•GATED 0,1 Hz a 10 MHz tren de polsos, els paràmetres establerts pel període i els controls d'ample de pols, s'inicia sincrònicament amb la porta d'entrada. Últim pols es completa al final del període d'activació. Senyal d'activació es pot generar de forma manual des del botó del panell frontal.

3.3.5 Circuit integrat:

Mitjançant la utilització d'un circuit integrat es permet facilitar la sincronització de la il·luminació mitjançant leds i captura de la tensió dissipada per la mateix cèl·lula solar. Amb la utilització de transistors aconseguim un efecte d'interruptor, quan els leds il·luminen la cèl·lula aquesta es carrega, immediatament es deixa d'il.luminar la cèl·lula l'oscil·loscopi prendrà la mesura de la descarrega de la cèl·lula solar. Com podem veure en la seguent imatge, tenim l'esquema de la caixa amb el circuit integrat, que el formaran tota la circuiteria de resistències i transistors.

Figura 36- Esquema caixa amb el circuit

Com podem observar a la següent figura, el circuit impres esta format per 3 transistors del tipo ZVN4306A i dues resitències de valors 1k i 47 ohms.


54

Figura 37- Esquema del sistema

En electrònica, un circuit imprès, targeta de circuit imprès o PCB (de l'anglès printed circuit board), és una superfície constituïda per camins o pistes de material conductor laminades sobre un substrat no conductor.

El circuit imprès s'utilitza per connectar elèctricament a través dels camins conductors, i sostenir mecànicament per mitjà del substrat, un conjunt de components electrònics. Els camins són generalment de coure mentre que el substrat es fabrica de resines de fibra de vidre reforçada, ceràmica, plàstic, tefló o polímers com la baquelita.

La producció dels PCB i el muntatge dels components pot ser automatitzada.1 Això permet que en ambients de producció en massa, siguin més econòmics i que generin mes confiança que les altres alternatives de muntatge per exemple el punt a punt.

Així dons per tal d’evitar possibles curtcircuits o errors ens soldadura hem optat per la fabricació d’un circuit imprès amb les resistències i transistor, evitant així el cablejat i la soldadura.

Figura 38- Caixa PVC

Utilitzem una caixa de pvc per amagar la placa del circuit integrat i col.locar el connector del tipo bannana i BNC.


55

Figura 39: Caixa de PVC amb connectors

Descripció del circuit: Una vegada amb al font de voltatge alimentem amb un voltatge d'entre 20 V- 30V i una intensitat de 2 A els 10 leds il·luminen la cèl·lula solar. Els leds com hem comentat en l'apartat anterior, estan connectats en serie sobre una superfície circular d'alumini. El corrent circulara per leds i el T1 es posara a 1 deixant passar el corrent. Alhora el generador de funcions genera un pols quadrat de ns que segons les nostres necessitats anirem modificant l'ampre de banda i freqüència. Mentre el T1 es trobi obert també tindrem obert el T2, i tancat el T3 evitat la descarrega de la cèl·lula solar. Amb aquest conjunt de transistor aconseguim un circuit que funcionen d'interruptor per tal de sincronitzar il·luminació mitjançant leds i la mesura mitjançant l'oscil·loscopi de la R2 que dona lloc descarrega de la cèl·lula solar. Amb la R1 D'1K aconseguim que el T3 pasi a 0 i no es quedi permanentment a 1.

Figura 40: Fotografia del sistema


56

Figura 41:Esquema general del sistema

3.3.6 Cèl.lula solar:

Per a prendre mesures amb cèl·lula solars en el nostre sistema, cal tenir en compta la instal·lació d'un connector BNC, mitjançant el qual prendrem la mesura amb l'oscil·loscopi. Per realitzar proves i mesures hem utilitzat cèl·lula solars fabricades a la mateixa universitat. cèl·lula orgàniques en proces d' investigació, motiu pel qual el nostre sistema de mesura permetrà l'obtenció de dades interessants pel departament d'investigació. Hem realitzat mesures amb dues cèl·lules solar orgàniques de la següent composició: Cèl·lula 1: ITO/PEDOT:PSS/PTBI:PCBM70/CA/AG, Voc 590mV Cèl·lula 2: ITO/PEDOT:PSS/PBDTBI:PCBM70/CA/AG, Voc 850Mv El nom complet dels polímers utilitzats per a fabricar les cèl·lules es la següent:

•••• ITO (Indium TinOxide) /

•••• PEDOT:PSS (Poly-(Ethylene dioxythiophene) doped with Poly-

(StyreneSulphonic acid)) /


57

•••• PTB1 poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene-2,6-diyl)(2-

((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophe-nediyl))

•••• Ca Calciu

•••• Ag Silver.

•••• PCDTBT Poly[[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl-

2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]

Aquestes dues Cèl·lues bàsicament estan elaborades amb diferents materials. Amb les nostres mesures podren observar com un Cèl·lula te major voltatge en circuit obert Voc que l’altre, degut el material donador (semiconductor del tipus p, PTB1, PCDTBT) i el material acceptador (semiconductor tipus n, PCBM60, PCBM70). Degut a la posició dels seus nivells d’energia per a cada un dels material i la diferencia entre els seus nivells d’energia del HOMO del donador i del LUMO del acceptador fa que s’obtinguin el valor d’aproximació de Voc. [9]


58

3.4 Mesura d’extracció de carrega

3.4.1 Introducció

El mètode d'extracció de càrrega és s’utilitza per a l'estudi de la reacció de transport, captura i posterior d'electrons en cèl·lules solars. Aquesta tècnica s'ha aplicat a dues varietats de cèl·lules solars i els resultats interpretat. En relació amb el treball experimental, a continuació podem observar les diferents seqüències dels esdeveniments durant l'extracció d'un càrrega. La cèl·lula s'il·lumina per uns LED’s. S’aconsegueix un estat foto estacionari quan la taxa d'injecció d'electrons és igual a la velocitat de la reacció posterior d'electrons. Els LED’s s'apaguen després i la decadència en la fotovoltatge es mesura per un període fix, període de temps denominat el temps de retard, t. A continuació, la cèl·lula és en curtcircuit i el corrent es mesura.

Figura 42-Esquema experimental per l’extracció de carrega


59

Figura 43- Seqüència d’esdeveniments durant una extracció de carrega. SC = curt-circuit, OC = circuit Obert

Aquesta tècnica experimental permet mesurar la carrega acumulada en una cèl·lula solar sota condicions normals d'operació (il·luminat). Els avantatges d'aquesta tècnica enfront d'altres tècniques de mesures utilitzades són que, experimentalment, implica menys temps d'experimentació i un sistema de mesurament relativament simple, i des del punt de vista físic és una mesura directa de les càrregues acumulades en el sistema a causa del procés fotovoltaic.

La composició principal de la sistema és una font d’il·luminació , en el nostre cas 10 leds de llum blanca, que centren la il·luminació a la cèl·lula i connectat a una font d'alimentació DC, un generador de funcions, utilitzat per generar un voltatge polsat. Finalment un oscil·loscopi que s'encarrega de mesurar la caiguda en V de la tensió de la resistència R de 47 ohms.

Totes les mesures d'extracció de càrrega es realitzen en condicions de foscor i es va anar amb compte per eliminar la llum difusa. La mesura es va iniciar en les condicions per defecte que consisteix en la llum apagada i el dispositiu de curt circuit a través del generador d'impulsos (R). El generador de polsos desencadena les condicions de circuit obert en el dispositiu i així l'interruptor de la llum durant el temps necessari per aconseguir unes condicions estables, en general quatre segons en mes que suficient. Immediatament després del pols, el sistema passa a les condicions per defecte en qüestió de temps de l'escala dels nanosegon. L'excés de càrregues generades en el dispositiu a causa del procés fotovoltaic flueixen a través del circuit i es registren com la caiguda de voltatge a través de la resistència R amb el temps.


60

És important tenir en compta que la recombinació interna durant el temps d'extracció pot conduir a resultats inexactes, no obstant això el curtcircuit i condicions fosques de la CE proporcionar una evacuació preferencial com es demostra que la recombinació es fa significativa en condicions de circuit obert i sotmès a molta il·luminació. De fet, les càrregues perdudes per recombinació poden ser estimades utilitzant un procediment reportat per Shuttle et.al. en el qual també es basen els nostres càlculs.

Les dades obtingudes des de l'oscil·loscopi son la variació de la V de tensió amb el temps, i per convertir-ho en la quantitat de càrrega s’utilitza la següent equació:

L'acumulat de carrega Q (C) es defineix com:

Q =EG I JKLMKNONNOP (5)

On la resistència R (ohms) és de 47 i V(t) és el voltatge mesurat a la mateixa vegada. No obstant això la càrrega acumulada no és un valor intrínsec, ja que depèn del volum de la capa activa. Per tant, la densitat d'electrons s'utilitza per definir la càrrega acumulada, la qual cosa permet comparacions entre dispositius.

La representació gràfica entre la densitat electrònica i la V de tensió aplicada al dispositiu, es troba típicament distribuïda exponencialment d ela forma:

:QRSNTU (V)= VP + VX: YZ[ (6)

On VP i VX son constants i \JL és l'energia característica que descriu la curvatura de distribució.[5]

Figura 44: Fotografia del sistema en funcionament


61

3.4.2 Mesures

A continuació és realitza la mesura de la característica de les dues cèl·lules solars anteriorment esmentades, és a dir, s’obtindrà el corrent generat en resposta a la il·luminació mitjançant leds. Una vegada aconseguida la mesura, podrem interpretar la resposta i eficiència d’aquesta cèl·lula solar orgànica.

A l’oscil·loscopi tenim dues senyals, pel canal 1 tenim el senyal provinent del generador de funcions, pols que fa de senyals trigger en el sistema. Per altra banda tenim al canal 2 la mesura de la cèl·lula solar, volts en funció del temps, es a dir la carrega de la cèl·lula i el temps de descarrega, es a dir que observem com la cèl·lula solar en un estat d’equilibri al aplicar una pertorbació externa, es a dir il·luminació de la cèl·lula, la recombinació d’electrons fins a tornar al seu estat d’equilibri.

Figura 45: Mostra de les mesures amb l’oscil·loscopi

Hem realitzat diferents mesures, depenent de la intensitat de llum aplicada a la cèl·lula solar, tenint com a referència l’aproximació de la llum solar ( 1 Sun) utilitzant una cèl·lula de referència de silici calibrada.

L’adquisició de dades experimentals de la proba es realitza mitjançant el software de l’oscil·loscopi i es tracten amb el programa Origin per calcular la distribució de carrega en funció del temps.

Com hem indicat en l’apartat anterior hem utilitzat dues cèl·lules, les quals farem referència com a cèl·lula 1 i cèl·lula 2.


62

Cèl·lula 1: ITO/PEDOT:PSS/PTBI:PCBM70/Ca/Ag, Voc 590mV

Cèl·lula 2: ITO/PEDOT:PSS/ PCDTBT:PCBM70/Ca/Ag, Voc 850Mv

Captures de pantalla del oscil·loscopi cèl·lula 1:

1SUN 0,37SUN

0,074SUN

0,0074SUN

Figura 46: Mostres de les captures de l’oscil.loscopi de la cèl·lula 1 a diferents intensitats de llum

Com podem observar a les captures de l’oscil·loscopi, el senyal obtingut de la cèl·lula es inferior en funció de la lluminositat. Cal esmentar que existeix un soroll en el sistema que també podem apreciar a les captures, que per futures mesures i perfeccionament del sistema seria convenient filtrar.


63

Podem observar com la cèl·lula 1 a 1SUN (1 Sol = 100 mW/cm2), el VOC esta al voltant dels 600mV i un temps de decaïment de la senyal de voltatge d’un temps de recombinació d’ aproximadament 800ns.

Figura 47: Mostra de la captura de l’oscil.loscopi de la cèl·lula 1 a la intensitat de llum de 1SUN

Captures de pantalla del oscil·loscopi cèl·lula 2:

1SUN 0,37SUN

0,074SUN

0,0074SUN


64

Figura 48: Mostres de les captures de l’oscil.loscopi de la cèl·lula 2 a diferents intensitats de llum

Com podem observar aquesta cèl·lula solar ofereix una carrega més elevada i un temps de recombinació mes elevat.

Figura 49: Mostra de les captures de l’oscil.loscopi de la mesura de la cèl·lula 2 amb la intensitat de llum de 1SUN

Podem observar com la cèl·lula 2 a 1SUN, tenim un Voc d’uns 900mV i un temps de recombinació d’ aproximadament 1300ns.

Amb les dades obtingudes mitjançant USB de les mesures realitzades, hem realitzat gràfiques amb el programa Origin per tal de calcular l’àrea sota la corba i obtenir així l'acumulat de carrega Q (C).

Les dades obtingudes des de l'oscil·loscopi son la variació del voltatge amb el temps, i per convertir-ho en la quantitat de càrrega s’utilitza la següent equació:


Com hem comentat prèviament la resistència R és de 47ohms i V(t) és el voltatge mesurat a la mateixa vegada.


65


Figura 50: Gràfica de la variació de la tensió en circuit obert en funció del temps de la cèl·lula 1 a 1sun

Per a totes els mesures hem determinat el seu temps inicial en el màxim del senyal, i calcular mitjançant el programa Origin l’àrea sota la corba. Seguim les mateixes pautes per a tots els càlculs i representacions gràfiques. Realitzem la representació gràfiques del voltatge en funció del temps. Tenim en negre el senyal mesurat, que pertany a les mostres de les dades extretes experimentalment, en vermell calcula la integral sobra la funció i l’àrea sota la corba.

-1,0x10-7 0,0 1,0x10

-72,0x10

-73,0x10

-74,0x10

-75,0x10

-76,0x10

-77,0x10

-78,0x10

-7

-1,0x10-1

0,0

1,0x10-1

2,0x10-1

3,0x10-1

4,0x10-1

5,0x10-1

6,0x10-1

7,0x10-1

8,0x10-1

Solar cell 1: 1SUN

Data: Data1_B

Model: ExpDec2

Chi^2/DoF = 0.00269

R^2 = 0.87112

y0 0 ±0

A1 0.51808 ±0.03015

t1 2.7028E-8 ±3.1658E-9

A2 0.30382 ±0.02242

t2 2.5089E-7 ±1.7998E-8

Area 8,69459426E-8

1SUNV

olts(V

)

Temps(s)

Real exp data

ExpDec2 fit of Data1_B


66

Figura 51: Gràfica de la variació de la tensió en circuit obert en funció del temps de la cèl·lula 1 a 0,37sun


-1,0x10-7 0,0 1,0x10

-72,0x10

-73,0x10

-74,0x10

-75,0x10

-76,0x10

-77,0x10

-78,0x10

-7

-1,0x10-1

0,0

1,0x10-1

2,0x10-1

3,0x10-1

4,0x10-1

5,0x10-1

6,0x10-1

7,0x10-1

8,0x10-1

0,37SUN

Solar cell 1 : 0,37SUN

Data: Data1_B

Model: ExpDec2

Chi^2/DoF = 0.00236

R^2 = 0.86175

y0 0 ±0

A1 0.51049 ±0.02962

t1 1.9892E-8 ±2.2526E-9

A2 0.29126 ±0.01662

t2 2.5336E-7 ±1.5626E-8

Area 8,06081732E-8

Volts(V

)

Temps(s)

Real exp data


0,0 100,0n 200,0n 300,0n 400,0n 500,0n 600,0n

-1,0x10-1

0,0

1,0x10-1

2,0x10-1

3,0x10-1

4,0x10-1

5,0x10-1

6,0x10-1

7,0x10-1

8,0x10-1

0,074SUN

Solar cell 1 :0,074SUN

Data: Data1_B

Model: ExpDec2

Chi^2/DoF = 0.00316

R^2 = 0.86701

y0 0 ±0

A1 0.87763 ±0.08245

t1 2.3749E-8 ±3.1579E-9

A2 0.32279 ±0.02881

t2 2.345E-7 ±2.0979E-8

Area 7,72758364E-8

Vo

lts(V

)

Temps(s)

Real exp data



67


Depenent de la intensitat de llum, hem obtingut diferents valors de voltatge en funció del temps, així mateix diferents valors de carrega acumulada.

Figura 54: Representació Gràfica de la variació de la tensió en circuit obert en funció de la intensitat de la llum de la cèl·lula 1 en unitats de SUN (1Sol=100Mv/cm2 )

-1,0x10-7 0,0 1,0x10

-72,0x10

-73,0x10

-74,0x10

-75,0x10

-76,0x10

-77,0x10

-78,0x10

-7

-1,0x10-1

0,0

1,0x10-1

2,0x10-1

3,0x10-1

4,0x10-1

5,0x10-1

6,0x10-1

7,0x10-1

8,0x10-1

0,0074SUN

Solar cell 1: 0,0074SUN

Data: Data1_B

Model: ExpDec2

Chi^2/DoF = 0.0025

R^2 = 0.83952

y0 -0.01804 ±0.01128

A1 0.55008 ±0.03322

t1 2.118E-8 ±2.5919E-9

A2 0.24187 ±0.01958

t2 2.4665E-7 ±4.9382E-8

Area 5,51819012E-8

Vo

lts(V

)

Temps(s)

Real exp data


0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

5,50E-008

6,00E-008

6,50E-008

7,00E-008

7,50E-008

8,00E-008

8,50E-008

9,00E-008

Solar cell 1

Vo

lts(V

)

SUN


68

Utilitzant la formula esmentada anteriorment, tenint en compta que R es la resistència de valor contat 47 ohms calculem la carrega acumulada.

L'acumulat de carrega Q (C) es defineix com:


Figura 55: Representació Gràfica de la variació de carrega en funció de la intensitat de la llum de la cèl·lula a 1en unitats de SUN (1Sol=100Mv/cm2 )

Com es d’esperar a mes intensitat de llum mes voltatge i proporcionalment carrega acumulada.

Solar Cell 1

SU, Volts(V) Carrega(C)

1 8,69E-08 1,85E-09

0,37 8,06E-08 1,72E-09

0,074 7,73E-08 1,64E-09

0,0074 5,52E-08 1,17E-09

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

1,1x10-9

1,2x10-9

1,3x10-9

1,4x10-9

1,5x10-9

1,6x10-9

1,7x10-9

1,8x10-9

1,9x10-9

Charge Q(C) Solar cell 1

Ch

arg

e Q

(C)

SUN


69


Figura 56: Gràfica de la variació de la tensió en circuit obert en funció del temps de la cèl·lula 2 a 1sun


-1,0x10-7 0,0 1,0x10

-72,0x10

-73,0x10

-74,0x10

-75,0x10

-76,0x10

-77,0x10

-78,0x10

-7

-2,0x10-1

0,0

2,0x10-1

4,0x10-1

6,0x10-1

8,0x10-1

1,0x100

1,2x100

1SUN

Solar cell 2:1SUN

Data: Data1_B

Model: ExpDec2

Chi^2/DoF = 0.00176

R^2 = 0.94558

y0 0 ±0

A1 0.64754 ±0.02832

t1 2.1603E-8 ±1.8882E-9

A2 0.44859 ±0.02288

t2 1.7734E-7 ±8.1927E-9

Area 9,29486161E-8

Vo

lts(V

)

Temps(s)

Real exp data


-1,0x10-7 0,0 1,0x10

-72,0x10

-73,0x10

-74,0x10

-75,0x10

-76,0x10

-77,0x10

-78,0x10

-7

-2,0x10-1

0,0

2,0x10-1

4,0x10-1

6,0x10-1

8,0x10-1

1,0x100

0,37SUN


Data: Data1_B

Model: ExpDec2

Chi^2/DoF = 0.002

R^2 = 0.93233

y0 0 ±0

A1 0.59447 ±0.03229

t1 2.114E-8 ±2.2661E-9

A2 0.43409 ±0.02786

t2 1.5907E-7 ±8.9003E-9

Area 8,15003959E-8

Vo

lts(V

)

Temps(s)

Real exp data



70



0,0 2,0x10-7

4,0x10-7

6,0x10-7

8,0x10-7

-2,0x10-1

0,0

2,0x10-1

4,0x10-1

6,0x10-1

8,0x10-1

1,0x100

1,2x100


Data: Data1_B

Model: ExpDec2

Chi^2/DoF = 0.00216

R^2 = 0.9325

y0 -0.06 ±0

A1 1.63957 ±0.12379

t1 2.4356E-8 ±1.7734E-9

A2 0.43586 ±0.01883

t2 2.811E-7 ±1.2109E-8

Area 7,86027256E-8

0,074SUNV

olts(V

)

Temps(s)

Real exp data


-1,0x10-7 0,0 1,0x10

-72,0x10

-73,0x10

-74,0x10

-75,0x10

-76,0x10

-77,0x10

-78,0x10

-7

-1,0x10-1

0,0

1,0x10-1

2,0x10-1

3,0x10-1

4,0x10-1

5,0x10-1

6,0x10-1

7,0x10-1

0,0074SUN

Solar cell 2:0,0074SUN

Data: Data1_B

Model: ExpDec2

Chi^2/DoF = 0.00123

R^2 = 0.90264

y0 -0.00934 ±0.00502

A1 0.50749 ±0.02573

t1 1.9789E-8 ±2.0023E-9

A2 0.23389 ±0.01919

t2 1.832E-7 ±2.3866E-8

Area 4,54441411E-8

Vo

lts(V

)

Temps(s)

Real exp data



71

Com hem comentat la variació del voltatge depèn de la intensitat de llum que s’aplica a la placa solar. Amb aquesta cèl·lula solar podem observar com obtenim millors resultat, degut com es d’esperar pel materials de fabricació. Podem observar com tenim una tensió en circuit obert mes gran i un temps de recombinació mes elevat respecta al cèl·lula 1.

Figura 60: Gràfica de la variació de la tensió en circuit obert en funció de la intensitat de la llum de la cèl·lula 2 en unitats de SUN (1Sol=100Mv/cm2 )

Com hem esmentat anteriorment segons la definició l'acumulat de carrega Q (C) es

defineix com: Q =EG I JKLMKNONNOP (5)

Figura 61: Figura 55: Representació Gràfica de la variació de carrega en funció de la intensitat de la llum de la cèl·lula a 2 en unitats de SUN (1Sol=100Mv/cm2 )

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

4,00E-008

5,00E-008

6,00E-008

7,00E-008

8,00E-008

9,00E-008

1,00E-007

Solar cell 2

Volts(V

)

SUN

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

8,00E-010

1,00E-009

1,20E-009

1,40E-009

1,60E-009

1,80E-009

2,00E-009Solar cell 2

Ch

arg

e Q

(C)

SUN


72

Com es d’esperar en el nostres resultats podem observar que l’acumulació de carrega es major com mes intensitat de llum apliquem a la cèl·lula solar.

Solar Cell 2

SU, Volts(V) Carrega(C)

1 9,29E-08 1,98E-09

0,37 8,15E-08 1,73E-09

0,074 7,86E-08 1,67E-09

0,0074 4,54E-08 9,67E-10

3.4.5 Comparació de resultats cèl·lula 1 i cèl·lula 2

Hem realitzat una comparació de les dues cèl·lules a 1 sun:

Figura 62: Representació Gràfica la variació de la tensió en circuit obert en funció del temps de les dues cèl·lules

Com podem observar i segons els resultats obtinguts prèviament, la cèl·lula 2 presentat unes característiques de Voc mes elevades que la cèl·lula 1. També presenta dons una acumulació de carrega major.

Els resultats obtinguts són bastant coherents ajustant-se en gran mesura a l’esperat en les dues cèl·lules solars analitzades, d'acord amb les seves característiques i resposta davant diferents intensitat de llum.

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,44E-07 2,94E-07 4,44E-07 5,94E-07 7,44E-07

Vo

lts(

)V

Temps(s)

1SUN

S.CELL 2

S.CELL 1


73


orgàniques.

CO,CLUSIO,S


74

4. CO,CLUSIO,S

Una vegada finalitzat aquest estudi, es conclou que el nostre equip de mesures d'espectroscòpia de voltatge per la caracterització de cèl·lules solars orgàniques, es una eina molt interessant, a l'hora d'estudiar, millora en la caracterització e interpretació de les prestacions de les cèl·lules solars orgàniques. Aquesta modelització ofereix una sèrie d'avantatges, Tant per les seves característiques i reduïdes dimensions, com per les seves prestacions es de fàcil muntatge, incloent el fet que l'estudi d'aquests dispositius pot ser fàcilment estès i a l'abast de totes aquelles persones o entitats que posseeixin un laboratori amb aparells d'us freqüent com una font de tensió i un oscil·loscopi. Inicialment sa realitzat un estudi teòric de les cèl·lules solars orgàniques i posteriorment el disseny i muntatge del equip. el Es tracta d'un equip de mesura que complementa a les mesures típiques de caracterització d'una cèl·lula solars orgànica. Es poden prendre's tantes mesures com siguin requerides en poc temps, i s'obtenen resultats directes de les càrregues acumulades en el sistema a causa del procés fotovoltaic. Es podran interpretar el resultats, eficiències i comparar els resultats ràpidament de les dades obtingudes. Una vegada realitzada la primera mesura de caracterització d'una de les cèl·lules solars orgàniques, es va observar que els paràmetres característics, tant la tensió en circuït obert o la intensitat en curt-circuit entre D'altres, escorresponent els valors teòrics, verificant aixi la correcta fabricació de l'equip. Cal destacar que L'equip es pot ampliar a altres mesures d'espectroscòpia com resposta a llum monocromàtica. Es deixa la porta oberta per a futures línies d'estudi en sistema de mesura de cèl·lules solars orgàniques, ja que amb aquest projecta s'haurà fet una primera aproximació veient que efectivament es poden desenvolupar sistemes de mesura senzills que complementen mesures típiques i que en el nostre cas serà d'utilitat pel grup de recercaNEPHOS. Una possible línia d'estudi i millora d'aquest sistema de mesura consisteix en un software capaç d'emmagatzemar i processar les dades adequadament per tal d'avaluar-les. Una vegada connectat l' oscil·loscopi a un Pc mitjançant el mateix programa de monitorització del oscil·loscopi es podria desenvolupar un software per gestionar aquests resultats.

.


75


76

Relació de fonts d’informació

•Pàgina Web

[1] http://www.crisp.nus.edu.sg/~research/tutorial/optical.htm

[2] http://www.rfcafe.com/references/electrical/ ASTM G173-03 Reference

Spectra.htm

[3] http://es.wikipedia.org

[4] http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/arauca/87061/docs_curso/C6_L1.htm

[5] http://www.cener.com

[6] http://diarioecologia.com

•Llibre – Article [5] L.M. Peter , N.W. Duffy, R.L. Wang 1, K.G.U. Wijayantha (12 December 2001) “Transport and interfacial transfer of electrons in dye-sensitized nanocrystalline solar cells”

[6] GONZÁLEZ VELASCO, Jaime. “Energía solar. Dispositivos fotovoltaicos”. Energías renovables. 1ª ed. Madrid: Editorial Reverté, 2009.

[7] WENHAM, Stuart R., GREEN, Martin A. y WATT Muriel E. Applied

Photovoltaics. 2ª ed. Londres: Earthscan, 2007.

[8] SOLANKI, Chetan S. “Solar Radiation”. Solar Photovoltaics: Fundamentals, Technologies and Applications. 1ª ed. New Delhi: PHI, 2009. p. 293-323

[9 ] Structure, Dynamics, and Power Conversion Efficiency Correlations in a New Low Bandgap Polymer: PCBM Solar Cell Jianchang Guo,†,‡ Yongye Liang,‡ Jodi Szarko,§ Byeongdu Lee,| Hae Jung Son,‡ Brian S. Rolczynski,§ Luping Yu,*,‡ and Lin X. Chen, p December 7, 2009

[10] B.S. Richards, K.R. McIntosh, Enhancing the Efficiency of Production of CdS/CdTe PV Modules by Overcoming Poor Spectral Response at Short Wavelengths Via Luminescence Down-Shifting, 4th World Conference IEEE Photovoltaic Energy Conversion, vol. 1, pp.213, (2006). [11] 150. B. Dimmlera, R. Wachter, Manufacturing and application of CIS solar

modules, Thin Solid Films, (2007).


77


78

A,,EXES Annex I: Tecnologies de cèl·lules Solares Tecnologies de Cèl·lules Solars Descripció dels principals materials utilitzats per aplicacions fotovoltaiques.

1. Cèl·lules de Silici Amorf (a-Si)

Les cèl·lules fabricades amb a-Si, són les que actualment tenen menor rendiment i les més barates de fabricar, per tant el principal avantatge de l'ús de l'a-Si és el seu preu. Una cèl·lula amorfa consisteix en una unió p-n amb una capa en la qual s'intercala una capa intrínseca (p-i-n o n-i-p); una capa transparent d'òxid conductor (TCO, Transparent Conductive Oxidi) en la seva part frontal, i una capa metàl·lica com a contacte i reflector posterior. El silici utilitzat en aquest tipus de cèl·lules es coneix com a silici amorf hidrogenat. En ser un tipus de cèl·lula molt lleugera i manejable es converteix en la solució òptima per a la seva col·locació en teulades i façanes.

Les propietats físiques de l'a-Si- hidrogenat difereixen essencialment de les propietats del c-Si. El Si amorf no posseeix un ordre en l'estructura atòmica del material. Els àtoms no estan localitzats a distàncies i angles únics. Aquesta aleatorietat en l'ordenament atòmic del Si modifica les propietats electròniques del material, la qual cosa provoca en un salt energètic (band-gap) entre 1,1 i 1,75 eV (enfront de l'1,1 eV del C-Si), controlat mitjançant la formació d'aliatges amb germani i carboni.

L'estructura amorfa és possible gràcies a que l'a-Si absorbeix la radiació solar amb una eficiència 40 vegades superior a la del C-Si, amb una capa d'1 µm s’absorbeix un 90% de la llum. Aquesta disminució de la quantitat de material, associada amb processos de deposició d'aquestes capes a baixes temperatures i sobre substrats (capes d'espessors tan petits que no són manejables i requereixen ser dipositades sobre un substrat) més econòmics, constitueix el gran potencial d'aquestes cèl·lules.

El procés de creixement de l'a-Si és molt menys crític que el del Si policristal·lí. El procés de producció parteix d'un cristall, com a substrat transparent de baix cost i resistent a l'aigua, sobre el qual es diposita una fina capa d'òxid d'alta conductivitat òptica. S'afegeix una capa molt dopada tipus p de 10nm, una capa de silici sense dopar intrínsec de 300nm, una capa de a-Si tipus n de 20nm, i finalment, un contacte metàl·lic. La plata és la substància metàl·lica més adequada, però a causa del seu preu se sol substituir per alumini o aliatges. Els fotons produeixen els paris electró-buit en el semiconductor i, els quals, es troben dins del camp elèctric produït per les capes p i n. En la figura 20, es mostra l'estructura d'una cèl·lula a-Si.


79

Figura 63- Estructura interna d'una cèl·lula de a-Si.

L'a-Si pot dipositar-se sobre diferents substrats, tals com a metall, vidre o C-Si, facilitant la interconnexió de dispositius. La incorporació d'hidrogen en l'A-Si (silici amorf hidrogenat a-Si(H), permet l'obtenció d'un material tipus p o n segons el dopatge introduït. L'alt coeficient d'absorció (l'absorció de la radiació solar per l'a-Si és, aproximadament quaranta vegades superior a la del c-Si i la introducció d'una capa de silici intrínsec entre les capes p i n va fer interessants les cèl·lules de a-Si, que amb espessors d'1 µm aconsegueixen rendiments del 13% a nivell de laboratori.

No obstant això, en els processos de fabricació a gran escala, el rendiment descendeix fins a valors del 6 i el 8% (es considera que l'eficiència mínima perquè puguin ser comercialment competitives és del 10%.

Per al creixement de la pel·lícula de silici amorf hidrogenat (a-Si(H)) s'utilitza la deposició química en fase de vapor assistida per plasma (PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) a relativament baixa temperatura (entre 200 i 500 ºC), la qual cosa permet l'ús de diferents substrats de baix cost. L'espessor de pel·lícula obtingut típic és menor d'1 µm.

Atès que la conductivitat dels materials que conformen l'emissor és baixa, es diposita un contacte transparent, comunament òxid d'indi dopat amb estany (ITO, Indium Tin Oxidi), sobre la cara frontal, el qual actua també com a capa anti-rreflectant.

Les primeres cèl·lules comercials basades en a-Si(H) apareixen en 1.980 i la seva eficiència rondava el 5%. A partir d'aquí, aquest tipus de cèl·lules comencen a utilitzar-se en productes com a rellotges, calculadores, joguines, etc. En els anys 90, l'eficiència aconseguida a nivell de laboratori va ser d’ un 12%.

La construcció de cèl·lules de a-Si compostes de diverses unions (multi), generalment dues o tres unions, suposa una millora en el seu rendiment (8 – 8,5%), la qual cosa


80

permet l'ús d'aquest tipus de cèl·lules de forma massiva en la generació d'energia fotovoltaica.

Les cèl·lules basades en a-Si(H) permeten obtenir dispositius d'eficiència raonable amb tècniques senzilles. Entre els avantatges que presenta aquest tipus de cèl·lules es troben el baix cost del material a causa del poc requeriment de Si en la cèl·lula i la possibilitat de dipositar l'a-Si(H) en àrees grans (de l'ordre del m2). Una dels principals avantatges d'aquest tipus de cèl·lules és que poden fabricar-se no solament cèl·lules, sinó mòduls en un procés continu, Figura 64.

Entre els desavantatges d'aquest material per al seu ús en dispositius fotovoltaics cal destacar que l'a-Si sofreix una degradació a causa de la llum al inici de la seva operació, la qual cosa provoca que l'eficiència del mòdul disminueixi d'un 10 a un 30%.[10]

Figura 64 - Cèl·lules de a-Si


81

2 Cèl·lules de Tel·lur de Cadmi/Sulfur de Cadmi (CdTe/CdS)

El band-gap del tel·lur de cadmi és d'1,45eV, la qual cosa ho converteix en un excel·lent semiconductor per a l'ús en cèl·lules solars. El CdTe és capaç de convertir l'energia solar en electricitat amb una taxa d'eficiència comparable a les tecnologies basades en silici, requerint-se només entorn del 1% de material semiconductor.

La seva estructura consisteix d'una finestra de CdS tipus n dipositada sobre la pel·lícula anti-reflectora; sobre aquesta es diposita una pel·lícula de CdTe amb gran capacitat d'absorció (Figura 65). Les cèl·lules basades en tecnologia CdTe/CdS formen part d'una tecnologia amb gran potencial de baix cost. Una cèl·lula típica de tel·lur de cadmi està formada per una capa (tipus p) de CdTe unida a una fina capa tipus n de CdS. A continuació es col·loca una capa de TCO (generalment SnO2) que va connectada amb el contacte elèctric. S'han aconseguit cèl·lules solars a nivell de laboratori amb eficiències de fins a un 16%, mentre que les fabricades comercialment aconsegueixen eficiències del 8%.

El principal avantatge d'aquesta tecnologia radica en la seva senzillesa i la multitud de procediments existents per a la seva fabricació, la majoria dels quals tenen un gran potencial per a produccions a gran escala (actualment existeix una planta de 40MW a Ohio i una altra de 10MW a Alemanya; First Solar està construint una planta de 100MW a Alemanya i una altra a Malàisia). Mentre que els seus inconvenients són el cost dels materials i la toxicitat del CdS.

Figura 65 a) Estructura interna d’una cèl·lula CdTe/CdS. b) Cèl·lula CdTe/CdS comercial.

3 Cèl·lules Coure Indi-Gal·li (CIGS, CuInGaSe2) i Diseleniuro de Coure-Indi (CIS, CuInSe2) Aquest tipus de cèl·lules presenten un gran potencial a causa de la seva alta eficiència i baix cost. Les cèl·lules CIGS ofereixen un band-gap variable mitjançant la composició de In-Ga, per maximitzar l'absorció de l'espectre solar. El band-gap varia des d'1,02eV a 1,68eV, i proporcionen el major coeficient d'absorció dins de la tecnologia thin-film, la qual cosa permet que al voltant del 99% dels fotons siguin absorbits pels primers micròmetres del material. Una cèl·lula CIGS està formada per una capa de contacte de molibdè, (Figura 65), per una fina capa de CdS o ZnS i una bicapa d'alumini i òxid de zinc com TCO. El principal avantatge d'aquesta tècnica és la reducció de costos en materials. Entre els desavantatges apareixen, la complexitat del mètode de fabricació, amb una


82

necessitat d'inversió important; i la disponibilitat de materials, juntament amb la toxicitat de la capa CdS. A la fi de 2007 Nanosolar va començar a produir cèl·lules solars basades en tecnologia CIGS, emprant nano-estructures de tinta sobre una làmina d'alumini. El seu funcionament és similar al d'una impressora de tinta, això permet reduir de manera important els costos de fabricació de cèl·lules fotovoltaiques. (Figura 67).

Figura 66- a) Estructura interna d’una cèl·lula CIGS. b) cèl·lula CIGS comercial.

Figura 67-Nanoestructuras CIGS de tinta. Font: Nanosolar

Les cèl·lules de Seleniur de Coure i Indi (CIS) consten de diverses cèl·lules solars connectades en sèrie. El seu principal objectiu és absorbir un ampli espectre de radiació solar. Les cèl·lules CIS de pel·lícula prima presenten una eficiència de fins a un 17%. Encara que el material presenta un gran potencial, no és molt utilitzat a causa que requereix procediments molt específics.[11] Els primers mòduls CIS van ser fabricats amb una eficiència del 8% en 2001. Des de llavors, l'eficiència d'aquest tipus de cèl·lules ha augmentat a valors entre el 9-10% en 2002, i entre el 10-12% avui dia. Un aspecte important per al desenvolupament d'aquesta tecnologia és la reducció de costos de material (més costosa que la de l'a-Si). Actualment s'ha aconseguit un rendiment del 19% en cèl·lules CIS fabricades en els laboratoris NREL (National Renovable Energy Laboratory, EUA).


83

A la figura 67 es mostra l'estructura d'una cèl·lula CIS. Una cèl·lula CIS està formada per un conductor transparent sobre el qual es diposita una pel·lícula anti-reflectora seguida del semiconductor tipus n. Aquesta pel·lícula n, entre 0,05 i 0,1µm, actua com una finestra. Aquesta finestra ha de ser prou prima i tenir un band-gap superior a 2,8 eV. La pel·lícula tipus p té generalment 2µm d'espessor, una alta capacitat d'absorció i un band-gap d'1,0eV, la qual cosa permet obtenir un Voc elevat. El material generalment emprat per a la finestra és el CdS. En aquesta s'introdueix una finestra de dues capes (ZnO+CdS). Finalment la pel·lícula CIGS - Cu(In,Ga)Es2 - que permet una àmplia flexibilitat en la selecció de l'ample de banda d'absorció.

Figura 67- Fotografia de la secciona transversal de una cèl·lula CIS. b) Capes de una cèl·lula CIS. Font: Hahn-Meitner-Institut Berlín


84

Annex II: Transistor ZV,4306A Transistor ZV,4306A


85


86


87

Annex III: LEDS LXHL-,WE8 LEDS LXHL-,WE8


88


89


90


91


92


93

Disseny d’un sistema de mesures d’espectroscòpia de...

Documents

Transcript of Disseny d’un sistema de mesures d’espectroscòpia de...