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Archivo: Introducción a las celdas solares fotovoltaicas

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Las celdas solares son los elementos constitutivos básicos de una planta solar fotovoltaica al permitir la conversión de la radiación solar incidenteen energía eléctrica. Para facilitar su instalación, en el caso de plantas solares fotovoltaicas, se agrupan formando paneles/módulos solaresfotovoltaicos que, a su vez, se interconectan para formar los string fotovoltaicos que constituyen este tipo de sistemas de generación. Sucesivasagrupaciones de celdas solares fotovoltaicas, interconectadas en serie y paralelo, dan lugar a la planta completa. La figura 1 muestra a) una celdasolar fotovoltaica de silicio monocristalino, b) un panel fotovoltaico, c) un string fotovoltaico y d) una planta solar fotovoltaica.

Figura 1. a) Celda solar fotovoltaica, b) panel solar fotovoltaico, c) string fotovoltaico y d) planta fotovoltaica.

A nivel de investigación, y aun en proceso de desarrollo, existe una gran variedad de tecnologías de celdas solares. La figura 2 muestra lasmejores eficiencias alcanzadas, en el verano de 2007, a nivel de investigación y considerando diferentes tipos de tecnologías de fabricación. En lafigura se muestran las principales tecnologías de fabricación que, en orden descendente de eficiencia son: Celdas multiunión con concentrador(eficiencias de hasta el 40.7%), celdas de Arseniuro de Galio (GaAs) (en torno al 28%), celdas de silicio monocristalino (entre 24.7% y 27.6%),celdas de silicio policristalino (20.3%), tecnología de capa delgada (entre 12.1% y 19.9%) y otras tecnologías, como la de celdas orgánicas, coneficiencias entre el 5.4% y 11.1%.

Figura 2. Celdas solares con mayor eficiencia en la conversión de la radiación solar incidente en energía eléctrica (fuente: NREL, datos de Julio de2007).

Desde un punto de vista comercial, en general, las celdas de mayor eficiencia, y aquellas con tecnologías de fabricación aun en proceso deestandarización, dan lugar a precios finales elevados, reduciendo su competitividad en el mercado. La figura 3 muestra los costes de fabricaciónpor unidad de potencia de varios tipos de tecnologías. Como puede apreciarse, la tecnología más costosa es la de concentradores, debido a lascaracterísticas especiales de la cobertura de la celda que, mediante lentes, debe concentrar la radiación incidente sobre la propia celda. Acontinuación aparecen las dos variantes principales de celdas de silicio cristalino, monocristalino y policristalino. La segunda variante presenta uncoste ligeramente inferior. Una alternativa para reducir costes es la reciente tecnología de fabricación Ribbon c-Si que, mediante la utilización deláminas de silicio cristalino, permite reducir el coste de fabricación hasta 1.58 ?/W (desde los 1.97 ?/W y 1.9 ?/W correspondientes amonocristalino y policristalino respectivamente). En cualquier caso, las tecnologías con menor coste de fabricación son las de silicio amorfo y capadelgada (CIS y CdTe), con costes entorno a 1.18 ?/W.

Figura 3. Coste de fabricación de celdas fotovoltaicas empleando diferentes tecnologías (2006).

Archivo: Principios de operación de las celdas solares fotovoltaicas

Archivo: Teoría de Bandas

En cuanto a la fabricación de celdas solares fotovoltaicas, la figura 4 muestra la distribución mundial de países productores en 2006. Como puedeobservarse, la producción se concentra en Japón (36.4%), Alemania (20%), China (15.1%), resto de Europa (8.2%), USA y Taiwán (6.9% y 6.7%respectivamente).

Figura 4. Países productores de celdas solares fotovoltaicas (2006).

La figura 5 muestra la distribución de la producción mundial de celdas solares fotovoltaicas en función de las tecnologías de fabricación empleadas.Como se puede apreciar, las tecnologías de silicio monocristalino y policristalino suman un 89.9% de la producción mundial durante el año 2006,lo que se debe a que esta tecnología permite construir celdas fiables con duraciones de más de 20 años. Las celdas de silicio amorfo (a-Si)alcanzan un 4.7% de la producción mundial mientras que otras tecnologías de fabricación se reparten el restante 5.5%.

Figura 5. Tecnologías de fabricación (2006).

Una buena parte de las características eléctricas de las celdas solares fotovoltaicas dependen de las propiedades físicas de los materialessemiconductores empleados en su fabricación así como de los procesos industriales aplicados.

A lo largo de esta sección se revisan los conceptos básicos de la física de los semiconductores, así como la estructura básica y las característicasfundamentales de operación de las celdas solares fotovoltaicas

El átomo independiente de silicio es inestable y puede encontrarse en la naturaleza en forma de red cristalina. En la figura 1 se muestra laestructura de la red. En azul se representan los núcleos de Si y los orbitales internos del átomo, en verde los enlaces covalentes formados quemantienen en posición de los núcleos en la red cristalina. Los 4 electrones libres en la capa de valencia del silicio permite la formación de 4enlaces covalentes con átomos adyacentes de la red cristalina. Las propiedades ópticas y electrónicas del semiconductor dependen de lascaracterísticas de la red cristalina.

Figura 1. Estructura de la red cristalina de silicio.En base a consideraciones cuánticas, los orbitales atómicos del silicio, que presentan unos determinados niveles de energía a cierta temperatura,al solaparse debido a la estructura cristalina, forman orbitales moleculares con energías muy próximas entre si. Este fenómeno, que puedeobservarse en la figura 2, se debe a la interacción entre cada uno de los electrones de la red y cada una de las cargas de la red cristalina, elresultado son pequeñas variaciones de la energía del orbital molecular que, para una alta densidad de átomos, da lugar a bandas de energía. Laanchura, posición y densidad de estados de cada una de las bandas de energía depende, por lo tanto, de la estructura del cristal.

Figura 2. Niveles de energía de los electrones. A medida que aumenta la densidad de átomos en la red cristalina aparecen las bandas de energíacorrespondientes a los orbitales moleculares.

La estructura de las bandas de energía en el cero absoluto se muestra en la figura 3. Los electrones ocupan los orbitales moleculares de menorenergía cumpliendo el principio de exclusión de Pauli (Dos electrones no pueden encontrarse en el mismo estado). En la figura se muestra el nivelde Fermi, correspondiente al orbital molecular ocupado con mayor energía. La banda de valencia corresponde a la banda de mayor energíatotalmente ocupada con electrones. La banda de conducción corresponde a la banda vacía, o parcialmente ocupada, de menor energía.

Figura 3. Estructura de bandas en el cero absoluto.Atendiendo a la configuración de las bandas de energía se pueden explicar las características eléctricas de los materiales. Así, teniendo en cuentaque la conductividad del material dependerá de la movilidad y disponibilidad de los portadores, en el caso de los metales, su gran conductividad esdebida al solape de las bandas de valencia y conducción, lo que hace posible que los electrones de la banda de valencia se desplacen libremente.En el caso de los materiales semiconductores, el bandgap es pequeño y a temperaturas por encima del cero absoluto, algunos de los electrones enla capa de valencia son capaces de alcanzar la banda de conducción. Finalmente, en los materiales aislantes, el bandgap es tan grande que no seproducen saltos de e- entre las bandas de valencia y conducción. La figura 4 muestra las diferencias de las estructuras de bandas de los distintostipos de materiales.

Figura 4. Estructura de bandas de energía de los materiales a) metálicos, b) semiconductores y c) aislantes.A medida que la temperatura aumenta por encima del cero absoluto el número de electrones que saltan a la banda de conducción, electroneslibres, aumentará debido al fenómeno de ionización térmica. Al producirse este salto, se generaran huecos en la red cristalina, la carga asociada aestos huecos debe ser la misma que la de los electrones pero de signo contrario. Debido al fenómeno de recombinación, cuando un electrón librecae en un hueco de la red cristalina, uno de los enlaces covalentes rotos por efecto de la temperatura vuelve a formarse. En el equilibrio, elmaterial semiconductor presenta velocidades iguales de ionización y recombinación. La animación de la figura 5 muestra los dos procesos.

Figura 5. Material semiconductor en equilibrio. Fenómenos de ionización térmica y recombinaciónLas densidades de huecos en la banda de valencia y de electrones en la banda de conducción puede aumentarse introduciendo impurezas en la redcristalina del material semiconductor, en este caso se habla de materiales semiconductores extrínsecos. Estos átomos presentan un volumen físicosimilar al del silicio, lo que permite incluirlos en la red cristalina sin deformarla. Si la red no contiene impurezas se habla de materialesintrínsecos.Los semiconductores extrínsecos de tipo n contienen impurezas donadoras en la red cristalina (átomos pentavalentes, capaces de ceder electronesa la banda de conducción). En este tipo de materiales la densidad de electrones libres es mayor que la de huecos, de forma que los electrones seconvierten en los portadores mayoritarios. La densidad de portadores depende de la densidad de impurezas presentes en la red. Un ejemplo deeste tipo de impurezas son los átomos de fósforo (P). La figura 6 muestra la estructura de este tipo de materiales.

Figura 6. Material semiconductor de tipo n.

Archivo: Uniones semiconductoras

En los materiales de tipo p, las impurezas que se incluyen en la red son átomos trivalentes que dejan incompleta la banda de valencia de la red,de modo que la densidad de huecos es mayor que la densidad de electrones libres. Los huecos se convierten por tanto en los portadoresmayoritarios. Un ejemplo de este tipo de impurezas es el Aluminio (Al). La estructura de este tipo de materiales se presenta en la figura 7.

Figura 7. Material semiconductor de tipo p.

El funcionamiento de las celdas solares fotovoltaicas se basa en la utilización de uniones semiconductoras que permiten el tránsito de corrienteseléctricas. Existen diferentes posibilidades de unión, tal y como muestra la figura 8, sin embargo, la más utilizada en la fabricación de celdassolares fotovoltaicas es la unión pn, en la que el bandgap (Eg) de los dos materiales semiconductores es igual. En las uniones pin se incluye unacapa de material semiconductor intrínseco (sin impurezas) que permite obtener una zona de transición más ancha. Ambos casos son ejemplos dehomouniones. Si seleccionan materiales semiconductores con bandgaps diferentes, estaremos ante heterouniones. Otro tipo de unión, un tantoparticular, es la barrera Schottky, formada en la unión entre un material metálico de determinadas características y otro semiconductor. En estetipo de uniones permiten extraer la corriente eléctrica desde los dispositivos semiconductores.

Figura 8. Tipos de uniones semiconductoras.Volviendo a la unión pn, representada en la figura 9, al unir ambos tipos de materiales la difusión de electrones en la zona p provocará larecombinación de electrones y huecos, ocasionando la aparición de iones con carga eléctrica negativa en esta zona. La pérdida de carga négativa(electrones) en el material de tipo n, cerca de la zona de la unión, generará iones positivos. Ambos tipos de iones, fijados a la red cristalina(inmóviles), forman una barrera de potencial eléctrico que dificulta la difusión de más electrónes a la zona p. La zona de agotamiento, ocupada porlos iones con carga eléctrica pero sin portadores libres, aparece marcada en gris.

Figura 9. Unión pn. Creación de la capa de agotamiento por difusión de los electrones libres.La estructura de bandas resultante de la unión pn se muestra en la figura 10. El primer diagrama corresponde a la situación de equilibrio (figura 9)sin aplicar ninguna caída de tensión externa a la unión (sin polarización). Al polarizar directamente (aplicar una caída de tensión positiva entre laszonas p y n de la unión) la barrera de potencial (Eg) disminuye, incrementándose la corriente que atraviesa la unión. Sucede lo contrario alpolarizar inversamente la unión (la caída de tensión aplicada entre las zonas p y n es negativa)

Archivo: Pérdidas en celdas solares fotovoltaicas

Figura 10. Unión pn a) sin polarización, b) directamente polarizada y c) inversamente polarizada.El comportamiento de la figura 10 corresponde al de un diodo, cuyo comportamiento, de acuerdo a la ecuación de Schockley, puede describirsecomo:

I � Io����e VVT � ��� �� (1)

Donde VT � kTq � mV a T � �

La conversión de la radiación luminosa en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico se basa en el carácter corpuscular de la luz. La energíaque porta un fotón viene dada por la expresión:

Eph�� � � hc� (1)

Donde h es la constante de Plank, c es la velocidad de la luz y �

es la longitud de onda de la luz. Cuando los fotones inciden sobre una unión pn, sila energía del fotón es mayor que el bandgap, el fotón excitará un electrón de la banda de valencia que, debido a la energía del fotón, podrá pasara la banda de conducción. Asimismo, el paso del electrón a la banda de conducción dejará un hueco en la capa de valencia. La profundidad quealcanzan el electrón y el hueco en sus respectivas bandas dependerá de la energía del fotón. Inmediatamente después de crearse el par electrón-hueco, ambos perderán energía (el exceso de energía del fotón respecto a Eg), que se disipará en forma de calor, y alcanzarán los bordes de labandas de valencia y conducción. Los fotones con energía inferior a Eg atravesarán el material semiconductor sin contribuir al proceso deconversión en energía eléctrica. En consecuencia, solo los fotones con energía ligeramente superior a Eg contribuirán a una conversión eficiente dela radiación incidente.Considerando que cada uno de los fotones incidentes crean un electrón libre, capaz de contribuir a la corriente de la celda, y que las pérdidas sonnulas en la unión, la corriente potencial (ficticia) que puede ser generada por la unión semiconductora, en términos de fotones, será:

Il� qNA �A� (2)

Donde N es el número de fotones en la zona sombreada del espectro de la figura 11, A es el área superficial del semiconductor expuesta a la luz.Por otro lado, la tensión máxima de la celda fotovoltaica coincide con Eg en electrón voltios:

Figura 11. Espectro de la radiación empleado por una celda solar fotovoltaica de silicio.

V � Eg

q �V� (3)

En la práctica, tanto la corriente como la tensión máximas suministradas por las celdas es menor que estos valores teóricos. En parte, estadiferencia es debida al elevado índice de refracción del Silicio ( � ���) que hace que el ���� de la radiación incidente sea reflejada. Estas pérdidaspueden reducirse al ���� mediante la aplicación de una capa delgada antireflejante de dióxido de titanio.Debido a la radiación incidente, la concentración de los portadores de carga durante los períodos diurnos será mayor que durante los períodosnocturnos. La reducción de la concentración de portadores debida a la recombinación de electrones y huecos se produce incluso durante lageneración. La distancia que recorren los portadores de carga desde que son generados hasta que se produce su recombinación se denominalongitud de difusión y depende del coeficiente de difusión del material y el tiempo de vida del portador. La longitud de difusión permite caracterizarel funcionamiento de la celda solar fotovoltaica.La figura 12 muestra una celda solar fotovoltaica sencilla bajo el efecto de la radiación solar. La celda está constituida por una unión pn donde lazona n se encuentra fuertemente dopada.

Figura 12. Principios de operación de las celdas solares fotovoltaicas.Si incide un fotón con:

energía elevada, atravesará la zona n (emisor) y la zona de agotamiento de carga siendo absorbido en la zona p (base). Como consecuenciase genera un par electrón-hueco. El electrón, en la zona p, se convierte en un portador minoritario (en esta región, los portadoresmayoritarios son los huecos) que se difunde hacia la zona de carga espacial que, debido a su campo eléctrico, acelera el electron hacia lazona n. La zona de carga espacial opera como un separador de los pares electrón-hueco, efecto necesario para poder aprovechar la energíadel fotón. Si la longitud de difusión es pequeña se producirá la recombinación antes de que el electrón alcance la zona de carga espacial, nopudiéndose aprovechar la energía del fotón.energía menor, el fotón se absorberá en el emisor, generándose de nuevo un par electrón hueco. Los huecos son los portadores minoritariosen la zona n fuertemente dopada y, con una longitud de difusión suficiente, alcanzarán la zona de carga espacial. Ésta, a su vez, acelerarálos huecos hacia la zona p.En el caso límite la absorción se produce en la zona de carga espacial, separándose el par electrón-hueco de forma inmediata debido alintenso campo eléctrico en la zona.

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Por lo tanto, al incidir la radiación solar en la celda fotovoltaica aumentará la concentración deelectrones libres en la zona n y de huecos en la zona p, apareciendo una caída de tensión entreambas zonas. Al conectar las dos regiones semiconductores a una carga eléctrica fluirá unacorriente eléctrica de modo que los electrones acabarán recombinándose con los huecos en lazona p. La corriente fluirá mientras se mantenga la radiación incidente.A la vista de las consideraciones realizadas, en una primera aproximación, una celda solarfotovoltaica podría modelarse mediante el circuito de la figura 13. En ella se aprecia que lacorriente generada por los fotones incidentes Il puede representarse mediante un fuente decorriente y que la unión pn se modela mediante un diodo. En consecuencia, la corriente de salidade la celda podrá expresarse como la diferencia entre la corriente generada por la radiaciónincidente menos la corriente en el diodo:

Figura 13. Primer circuito equivalente de una celda solar fotovoltaica.

I Il I����e qVkT ��� A (4)

En consecuencia, con la celda solar fotovoltaica en circuito abierto (sin carga, I ), toda lacorriente eléctrica generada por la radiación incidente circulará por el diodo mientras que encortocircuito (V ) la corriente eléctrica generada circulará hacia la carga. También en la figura13 se muestra la característica I-V de la celda solar fotovoltaica que, en caso de no estariluminada, coincide con la característica de un diodo. Los dos puntos clave de la característicacorresponden a la corriente de cortocircuito Isc y la tensión en circuito abierto Voc:

Isc Il A , Vsc V (5)

Ioc A , VockTq

��� IlIo

��� V (6)

En el caso de Voc, Il y I� dependen de la estructura de la celda sin embargo, en dispositivosreales, la tensión en circuito abierto depende, fundamentalmente, de I� .

Archivo: Celdas solares fotovoltaicas

Archivo: Pérdidas en celdas solares fotovoltaicas

Otra consideración que debe realizarse es que, en circuito abierto o cortocircuito no se generapotencia eléctrica ya que, en ambos casos, se verifica:

P V I W (7)La potencia máxima de salida de la celda solar fotovoltaica se obtendrá en el punto de máximapotencia Pmpp, que corresponde al punto de la característica IV que maximiza el área de la figura14. La eficiencia � de la celda se define como:� Pmpp

Potenciadelaradiaci�nincidente

(8)

Figura 14. Característica I-V de una celda solar fotovoltaica y el punto de máxima potencia.

La figura 15 muestra la estructura de una celda solar fotovoltaica de silicio. Los contactosmetálicos en la parte superior e inferior de la celda permiten extraer la corriente eléctricagenerada. El contacto metálico superior, sobre la zona n muy dopada, debe permitir el paso de laluz para su posterior conversión. Por este motivo se construye mediante tiras delgadas de metalampliamente distanciadas, denominadas dedos que recogen la corriente dirigiéndola hacia uncontacto mayor (bus bar). La zona n expuesta se cubre con una fina capa de material dieléctricoantireflejante (Antireflection coating, ARC) para minimizar la luz reflejada por la superficiesemiconductora de silicio.

Figura 15. Celda solar fotovoltaica de silicio.

De acuerdo con las consideraciones previamente expuestas, hay dos mecanismos fundamentalesque contribuyen a la reducción de la eficiencia de las celdas solares fotovoltaicas:

Calor debido a la diferencia de energía del fotón incidente y Eg.Incapacidad de la celda de absorber fotones de energía menor que Eg.

Estas pérdidas pueden reducirse empleando celdas solares fotovoltaicas multicapa, con varias

uniones pn con bandgaps apropiadamente diseñados. La figura 16 muestra la estructura básica yla porción de espectro aprovechado por una celda de este tipo. La celda superior debe presentarun bandgap mayor que la celda inferior para permitir el paso de fotones hacia esta última.

Figura 16. Estructura básica de una celda multicapa.También el fenómeno de recombinación contribuye a la pérdida de eficiencia de la celda en laconversión a energía eléctrica de la radiación solar incidente. Este fenómeno se produce conmayor intensidad cerca de:

Las impurezas o defectos en la red cristalina del material semiconductor,En su superficie, debido a la aparición de orbitales moleculares con energía dentro delbandgap que facilitan el tránsito de electrones libres hacia la banda de valencia, donde serecombinarán con los huecos,Los contactos metal-semiconductor.

Las pérdidas asociadas a la recombinación pueden reducirse, tal y como se muestra en la figura17:

Cubriendo las superficies semiconductoras mediante óxido de silicio, que reduce el efectode la recombinación superficial.Rodeando los contactos metálicos por regiones semiconductoras fuertemente dopadas, loque impide a los portadores minoritarios alcanzar los contactos y recombinarse.

Figura 17. Estructura de celdas solares de silicio de alta eficiencia.Otras pérdidas en la celda pueden estar ocasionadas por:

La reflexión de la luz en la capa superior de la celda,El sombreado de la celda por los contactos metálicos superiores,Una absorción incompleta de la luz incidente, especialmente en las celdas de siliciocristalino debido a las deficientes características del silicio.

En el caso de celdas con una sola capa de material ARC puede llegar a reflejarse, en la capasuperior de la celda, hasta aproximadamente un de la radiación incidente. Este efectopuede reducirse aplicando una o dos capas más de este material. Otra posibilidad es dar una

Archivo: Efecto de la temperatura y la irradiancia en las características eléctricas de lacelda

textura a la superficie, creando pequeñas pirámides, que aumenten la posibilidad de absorber laradiación reflejada. Esta técnica, unida a la utilización de una capa de ARC, puede hacer que laradiación reflejada no supere el .El sombreado debido a los contactos metálicos superiores ocasiona una reducción importante dela eficiencia de la celda sobre todo en el caso de luz solar concentrada y de alta intensidad. Enestos casos se puden mover ambos contactos a la parte posterior de la celda solar fotovoltaica.Una técnica que permite aumentar la capacidad de absorción de la radiación incidente de lasceldas de silicio cristalino es la utilización de un contacto posterior con características ópticasreflejantes. Combinando este tipo de contactos con una capa superior con textura, se puedecompensar este bajo rendimiento del silicio, tal y como ocurre en las celdas fotovoltaicas de capadelgada.Otro aspecto que debe tenerse en cuenta a la hora de analizar las pérdidas de energía en lasceldas solares fotovoltaicas son las pérdidas óhmicas. Se pueden considerar de forma conjunta y,a la hora de analizar su impacto, incluir, en el modelo circuital de la celda solar fotovoltaica, unaresistencia serie, tal y como muestra la figura 18. La introducción de esta resistencia modifica laecuación característica de la celda a:

Figura 18. Modelo de celda solar fotovoltaica considerando el efecto de las pérdidas óhmicas.Impacto de estas pérdidas en la característica I-V de la celda.

I Il I����e qV� IRsmKT

��� (1)

Donde Rs modela las pérdidas óhmicas y m es un factor de no idealidad determinadoexperimentalmente (suele emplearse m ).

Las variaciones de temperatura e irradiancia afectan al comportamiento eléctrico de las celdassolares fotovoltaicas.En el caso de la temperatura, sus variaciones afectan, fundamentalmente, a la tensión de salidade la celda que, al aumentar la temperatura, disminuye. Los fabricantes de celdas solaresfotovoltaicas dan cuenta de esta dependencia mediante el coeficiente de temperatura de lacelda, de signo negativo. En una celda de silicio, la reducción típica es de mV C. Este efectose muestra en la figura 19. El efecto en la corriente y en el factor de relleno es menospronunciado y suele despreciarse durante el proceso de diseño del sistema de generaciónfotovoltaico.

Figura 19. Efecto de la temperatura en la característica I-V de una celda solar fotovoltaica.Por su parte, las variaciones de la irradiancia ocasionan variaciones proporcionales del flujo defotones hacia la celda. Al aumentar la irradiancia, un mayor número de fotones con energíamayor que Eg alcanzarán la celda, pudiendo ser transformados en corriente eléctrica. Enconsecuencia, las variaciones de la irradiancia afectan, fundamentalmente, a la corriente desalida de la celda solar fotovoltaica. Estas variaciones apenas ocasionan cambios en la tensión desalida de la celda, tal y como se muestra en la figura 20, debido a la dependencia logarítmica dela tensión respecto a la irradiancia.

Figura 20. Efecto de la irradiancia en la característica I-V de una celda solar fotovoltaica.La figura 21 muestra la potencia de salida de una celda solar fotovoltaica en función de latensión de salida de la propia celda. La figura contiene la característica en condiciones estándarde operación (G W m� , T C) y para una irradiación menor y una temperatura mayor.Como puede observarse, no es sencillo forzar la operación de la celda, ya sea controlando sucorriente o su tensión de salida, para que ésta se mantenga en el punto de máxima potenciapara condiciones de operación reales (con variaciones diurnas de la irradiación y de latemperatura).

Archivo: Técnicas de fabricación de celdas de silicio cristalino

Archivo: Proceso de purificación del silicio

Figura 21. Potencia de salida de una celda solar fotovoltaica ante diferentes condiciones deoperación.

Las celdas fotovoltaicas de silicio cristalino, en sus variantes monocristalina y policristalina, son,en la actualidad, los elementos constitutivos básicos de una buena parte de los sistemas degeneración fotovoltaicos. Su tecnología de fabricación, apoyada por los avances de la tecnologíade fabricación de componentes microelectrónicos, ha derivado hacia procesos de fabricación demayor simplicidad y menos costosos. Estos procesos implican la realización de pasos sucesivos,cada uno de los cuales puede variar dependiendo de las características de la celda que sepretende fabricar y de las posibilidades de ahorro energético que presenta cada uno de ellos. Engeneral los pasos que deben realizarse, hasta la obtención de los módulos solares fotovoltaicosempleados en la construcción de sistemas de generación de energía eléctrica, son:

Conversión de la cuarcita en silicio de elevada pureza,Obtención de obleas de silicio,Fabricación de las celdas solares fotovoltaicas,Fabricación de los módulos.

Cada uno de estos subprocesos se describe con mayor detalle a lo largo de esta sección.

El grado de pureza del silicio, a la vista de los principios de operación de las celdas revisados enel apartado 2 de este tema, es un factor crucial a la hora de obtener celdas fotovoltaicas con unabuena eficiencia. No obstante, debe tenerse en cuenta que no es necesario alcanzar losestándares de pureza del silicio empleado en la industria microelectrónica, del orden de

. En general, y referido a la industria solar fotovoltaica, se habla de silicio puro(Solar-grade Silicon) para valores entorno a . Como se verá posteriormente, esta purezamenor permite optar por procesos de fabricación más económicos y que requieren una energíamenor.Aproximadamente el de la corteza terrestre es arena, en su mayor parte, cuarcita o dioxidode silicio. Este material debe ser tratado para obtener silicio de purezas entorno al , elsilicio de tipo metalúrgico (Metallurgical-Grade Silicon, MG-Si). El MG-Si no puede emplearse enaplicaciones electrónicas pero permite la obtención de acero especial y aleaciones. Este tipo desilicio se obtiene reduciendo la cuarcita con carbón en un horno de arco eléctrico, tal y comomuestra la figura 22. El proceso es relativamente económico, aproximadamente kg, y laenergía necesaria es relativamente pequeña kWh kg. El resultado del proceso, MG-Si, semuestra en la figura 23.

Figura 22. Proceso de obtención de silicio metalúrgico mediante un horno eléctrico de arcosumergido.

Figura 23. MG-Si.En este punto, la pureza del silicio aun no es suficiente para aplicaciones solares y el MG-Si debeser refinado. Existen varias posibilidades:

El método Siemens, empleado en la fabricación de componentes electrónicos, consume unaenergía en el rango de kWh Kg con un coste de unos Kg. La pureza del silicioobtenido es del orden de . La figura 24 muestra los pasos de este método. Tras unaprimera etapa de cloración, la destilación permite ajustar la pureza del silicio al grado deseado.Finalmente, mediante la reducción con hidrógeno, se obtiene el silicio puro en estado sólido. Elmaterial obtenido, un agregado de cristales de silicio, es el silicio policristalino.

Deposición en cama fluida, el consumo de energía es del orden de kWh Kg y elresultado es silicio con un grado de pureza entorno a Solar Grade Silicon, SoG-Si.

Refinamiento metalúrgico, el consumo de energía es del orden de kWh Kg, con uncoste inferior a los Kg.

Archivo: Producción de obleas de silicio cristalino

Figura 24. Pasos en el método Siemens.

La obtención de obleas de silicio a partir del silicio puro, en sus dos posibles grados de purezapara el caso de aplicaciones fotovoltaicas, conlleva un máximo de dos pasos:

Creación de un lingote de silicio con estructura cristalina1.Corte del lingote para generar las obleas. En el caso de celdas de tipo c-Si Ribbon, estesegundo paso se puede evitar ya que, en el primero, se obtienen directamente las obleasde silicio.

2.

Durante el proceso de purificación del silicio no se presta atención a la estructura cristalina delsilicio, sin embargo, esta estructura es fundamental a la hora establecer las propiedades delmaterial semiconductor. Existen diferentes técnicas a la hora de generar lingotes de siliciocristalino con unas determinadas propiedades, sin embargo, una de las más utilizadas es elmétodo Czochralski, empleado también en la industria microelectrónica. La figura 1 muestra elproceso este proceso de cristalización (puede verse una animación del proceso, comentada eninglés, en este enlace). El silicio puro se funde en un crisol de grafito con revestimiento decuarzo de elevada pureza a una temperatura de unos C. Una vez fundido, se introduce en elcrisol una guía de silicio cristalino que permite iniciar el proceso de cristalización del silicio purofundido. Esta guía se pone en contacto con el silicio fundido para, a continuación, tirar de ellalentamente (típicamente, cm h) para arrastrar fuera del crisol el silicio fundido. A medida queel silicio fundido sale del crisol, arrastrado por la guía de silicio cristalino, el silicio fundido seenfría tomando la estructura cristalina de la guía. La guía, girando en sentido contrario respectoal silicio fundido, irá aumentado su longitud y sección a medida que cristaliza nuevo siliciofundido. El resultado del proceso suele ser un lingote de silicio cristalino de m de largo por cm de diámetro y unos Kg de peso.

Figura 1. Método Czochralski de cristalización.

Si bien el proceso contribuye a aumentar la pureza del silicio inicial, ya que las impurezaspresentes tras el proceso de purificación inicial tienden a permanecer en el silicio en fase líquida,el progresivo deterioro del crisol puede contribuir a aumentar el grado de impurezas del siliciocristalino obtenido. Los átomos de carbono y oxígeno que aparecen en las celdas solaresfotovoltaicas fabricadas mediante este proceso, como consecuencia de la degradación del crisol,son las responsables de la pérdida de eficiencia inicial de estas celdas al ser expuestas, porprimera vez, a la radiación solar (la eficiencia puede reducirse entorno al 1% durante lasprimeras horas de operación).

Los lingotes de silicio cristalino de sección circular, antes de ser troceados para generar lasobleas de silicio cristalino, se rebajan hasta obtener una sección prácticamente cuadrada. En elproceso puede perderse hasta un 25% del silicio cristalino. La figura 2 muestra los lingotesdespués de ser preparados para ser cortados en obleas. La sección típica de los lingotes, una vezrebajados, pasa a ser de 10 x 10 cm

�Figura 2. Lingote de silicio cristalino antes y después de ser rebajado.

A continuación, el lingote se trocea, generando lingotes más pequeños (figura 3.a), que sonposteriormente cortados mediante una sierra de múltiples hilos (figura 3.b). El resultado finaldel proceso son obleas de silicio cristalino, con una superficie de 10 x 10 cm

�, y un espesor de

unos �m. Durante el proceso de cortado, que dura unas ocho horas para una sección de 10 x10 cm

�, para la producción de las obleas de silicio se pierde, en forma de polvo,

aproximadamente un 30% del silicio cristalino del lingote original. Esta pérdida de silicio en elproceso de cortado de los lingotes contribuye en buena medida al encarecimiento del precio finalde las celdas solares fotovoltaicas de silicio cristalino.

Figura 3. Proceso de cortado de los lingotes de silicio cristalino.

Es por este motivo que la industria fotovoltaica desarrolla métodos alternativos para laconstrucción de celdas solares, como el método EFG (Edge-defined Film-fed Growth) . En estecaso, el silicio fundido asciende por capilaridad entre dos capas de grafito muy próximas (figura4). La cristalización se inicia a medida que el silicio fundido abandona el crisol al tirar de la finacapa que se va formando. La capa, que puede llegar a alcanzar longitudes de casi 5 m conespesores rondando �m, es cortada, posteriormente, mediante láser. Otra ventaja de estemétodo es su mayor capacidad de producción que, típicamente, ronda cm

�min. Como

contrapartida, las celdas comerciales producidas suelen presentar eficiencias en el rango

Archivo: Fabricación de celdas solares fotovoltaicas

Figura 4. Método EFG.

Las obleas de silicio, antes de convertirse en celdas solares comerciales, deben pasar por lossiguientes procesos:

Limpieza de la superficie y grabado (texturizado)1.Formación de la unión pn mediante la difusión de fósforo2.Creación de los contactos metálicos superior e inferior3.Deposición de la capa antirreflejante4.

Las obleas de silicio, una vez cortadas del lingote, presentan una superficie con imperfecciones ysucia. Se aplican pasos sucesivos de limpieza húmeda y grabado químico que eliminan unasmicras de silicio, dejando la oblea preparada para la difusión del fósforo. Debido a que el silicioes un material duro y químicamente resistente, se emplean hidróxidos de potasio o sodio ensoluciones calientes muy concentradas. En el caso del silicio monocristalino, la solución produceun efecto de texturizado, como el que se muestra en la figura 1, que contribuye a reducir elporcentaje de la radiación incidente reflejada por la superficie (el coeficiente de reflexión sereduce de 0.35, para una superficie lisa, a 0.12 para la superficie con textura). En el caso desilicio policristalino puede recurrirse a medios mecánicos para generar esta textura.

Archivo: Fabricación de paneles fotovoltaicos

Figura 1. Superficie de la oblea de silicio una vez se ha completado el proceso de grabado.

Teniendo en cuenta que, generalmente, las obleas de silicio son de tipo p tras ser dopadas conboro antes del proceso de cristalización, la unión pn se forma mediante la difusión de fósforo,una impureza de tipo n, desde la superficie superior de la oblea. A temperaturas suficientementeelevadas (uno 870C) los átomos de fósforo se difunden en la oblea de silicio. Para la correctaoperación de la celda, los átomos de fósforo deben alcanzar una profundidad de unos �m, loque puede requerir tiempos de difusión de entre 15 y 30 minutos. Este proceso suele llevarse acabo en un horno de difusión de cuarzo que, típicamente, es capaz de procesar unas 1200 obleasa la hora.

La difusión de fósforo se produce también en los bordes de la oblea generando regiones n nodeseadas que deben ser eliminadas. A tal efecto, las obleas de silicio se agrupan e introducen enuna máquina de plasma que elimina estas zonas de las obleas. Finalmente, la eficiencia de lacelda puede mejorarse incluyendo una zona p fuertemente dopada en la parte trasera de laoblea (en la zona p ya existente). Esta nueva región reduce la probabilidad de recombinación deportadores en la zona p y elimina impurezas como el cromo. La zona p fuertemente dopada (p� )se construye mediante la deposición de aluminio en la parte trasera de la oblea.

Los contactos eléctricos de la celda se crean mediante la técnica de impresión de pantalla. Lapantalla consiste en una rejilla de cables introducida en una emulsión fotosensible. La emulsión,mediante técnicas fotográficas, se retira de aquellos puntos en los que se deben fijar loscontactos. Sobre la pantalla de se deposita una pasta que contiene el metal que formará loscontactos, que suele ser plata para los contactos de la superfice superior de la celda y unamezcla de aluminio y plata para la superficie inferior. Al calentar la oblea, la pantalla y la pasta,el metal se fija a la superficie de la oblea formando los contactos por los que fluirá la corrienteeléctrica.

Una vez formados los contactos metálicos, suele aplicarse una capa delgada antirreflejante queaumenta la eficiencia de la celda fotovoltaica. El método habitual para la creación de esta capaes la deposición mediante vapor químico de un compuesto de óxido de titanio orgánico en unreactor a la presión atmosférica.

El proceso completo de fabricación de las celdas a partir de los lingotes de silicio cristalino puedeverse en este enlace. Se trata del proceso de fabricación seguido por la empresa Q.cells.

Los paneles solares fotovoltaicos suelen construirse conectando, en serie, varias celdas solaresfotovoltaicas. Las características eléctricas de las celdas solares empleadas en la fabricación deun único panel solar deben ser similares (en caso de conectar una celda muy eficiente a otramuy poco eficiente, la corriente eléctrica total generada por el módulo correspondería a lacorriente generada por la celda fotovoltaica de menor eficiencia).

Las dimensiones de los paneles solares fotovoltaicos varían dependiendo de la aplicación delpanel. Así, en el caso de plantas solares fotovoltaicas conectadas a redes eléctricas, los tamañospueden alcanzar los m

�. La duración de los módulos fotovoltaicos debe ser, al menos, de 20

años. En consecuencia, los materiales empleados en su fabricación deben tener una calidadsuficiente. Un módulo solar fotovoltaico está compuesto por:

Cobertura frontal. Se emplea cristal templado que incorpora óxido de cerio para bloquearla radiación ultravioleta. Este tipo de radiación podría degradar los elementos que

1.

Archivo: Soportes para paneles solares fotovoltaicos

constituyen el panel.El material del encapsulado. Se trata de un polímero termoplástico, transparente y aislanteeléctrico. Suele emplearse EVA (ethylene vinyl acetate) y su grosor ronda mm.

2.

Las celdas solares y las conexiones metálicas entre celdas.3.Cobertura trasera. Suele ser una lámina de Tedlar, Tefzel o poliéster. También puedeincluirse una lámina de aluminio que actuará como barrera contra la humedad, que podríadeteriorar los contactos metálicos entre celdas.

4.

Todos los componentes se laminan aplicando calor (unos 150C), que mejoran la unión de lasdiferentes capas, y presión en vacio. Los laterales se sellan con juntas de neopreno, que seprotegen con un marco de aluminio. Una vez finalizada la construcción, los módulos se pruebany clasifican considerando su potencia de salida. La eficiencia del módulo es inferior a la eficienciade las celdas empleadas en su construcción debido a las conexiones metálicas entre celdas.

El proceso de fabricación de un módulo fotovoltaico se puede observar en este video.

Existen varias posibilidades a la hora de realizar la fijación de los paneles solares fotovoltaicosque, dependerán, de las características de la planta solar fotovoltaica en la que se empleen:eficiencia de la planta o posibilidad de integración en edificios entre otras. Desde este enlace sepuede acceder a un video comparando varios tipos de seguidores. Los tipos básicos son:

Soporte fijo. Se trata de una estructura metálica, ajustable a varias dimensiones depaneles solares y que, antes de alojar los paneles, se ajustan a la inclinación óptima anualdel punto de ubicación. Son las estructuras que suelen emplearse en plantas fotovoltaicasubicadas en edificios.

1.

Soporte con ajuste de inclinación estacional. Es una variante del caso anterior, en estecaso, el ángulo de inclinación de la estructura puede ajustarse a dos posiciones, lo quepermite ajustar la inclinación vertical de los paneles en verano e invierno.

2.

Seguidor de dos ejes. Este tipo de sistemas permite aumentar la eficiencia de la plantasolar fotovoltaica hasta un 30% respecto a la primera variante fija. Se trata de unaestructura motorizada que permite variar la inclinación y orientación de los panelessolares para mantenerlos perpendiculares a la radiación solar incidente. El seguimiento dela posición del Sol en el cielo diurno puede realizarse en base a los datos astronómicosalmacenados en la unidad de control del seguidor (la precisión en la orientación puedealcanzar 0.1 º) o mediante un sensor de radiación que modifica la posición del seguidor amedida que el Sol recorre el cielo diurno (hasta 0.01º). La figura 1 muestra en detalle lamecánica del seguidor solar Feina SF20.

3.

Seguidor de un eje. Existen tres variantes:Eje de rotación polar. El eje de rotación se orienta hacia el sur con una inclinaciónigual a la latitud de la ubicación, el movimiento del seguidor se ajusta para que elvector director de la superficie coincida en todo momento con la posición del Sol enel cielo diurno. La velocidad de giro del panel es constante y permite alcanzareficiencias casi tan grandes como las de los seguidores con motorización en dos ejes.Eje de rotación vertical. El seguidor gira, a una velocidad variable, sobre este ejesiguiendo la orientación del Sol en el cielo diurno. Se trata de un tipo de estructuraque puede alcanzar eficiencias elevadas en zonas de gran latitud, donde la curvadescrita por el Sol en el cielo diurno alcanza poca altitud.Eje de rotación horizontal. El giro se produce teniendo en cuenta la altura del Sol enel cielo diurno, pero no su orientación. Este tipo de seguidores son especialmenteadecuados, dada su sencillez, en localizaciones cercanas al ecuador terrestre.

4.

En resumen, siendo la opción más eficiente el seguimiento en dos ejes, la pérdida de eficienciaanual aproximada del resto de configuraciones se muestra en la tabla para una planta solarfotovoltaica ubicada Santander. La elección de una u otra dependerá del plan de negocio, en elcaso de huertas solares, y del tiempo de amortización de la inversión inicial.

Seguidor 1 eje - Polar -3.3%Seguidor 1 eje - Horizontal -17.7%Seguidor 1 eje - Vertical -21.4%

Estructura fija - Dos inclinaciones-20.7%Estructura - Inclinación única -22.4%

Figura 1. Detalle del seguidor Feina SF-20.

Figura 2. Imágenes de varios de los soportes descritos.

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