Clulas FotovoltaicasMster Energa Solar y Renovables

rea de ElectrnicaUniversidad Miguel Hernndez

Tema 1:Efecto fotovoltaico

Generacin de carga

1 Generacin de cargaGeneracin trmicaGeneracin pticaCoeficiente de absorcinDimensiones de la clula fotovoltaica en PC1DDensidad de impurezas en PC1DPropiedades pticas de los semiconductores en PC1DEjercicio

2 Recombinacin

Generacin trmica

En ausencia de iluminacin la nica carga libre en el semiconductor es lagenerada trmicamente (ver presentacin Semiconductores.pdf):

En un semiconductor intrnseco, por abandono de los electrones de losenlaces covalentes del silicio, generando un par electrn-hueco.

En un semiconductor tipo n (p), por abandono de un electrn (hueco) de untomo de impureza, adems del mecanismo anterior.

En un semiconductor intrnseco en equilibrio, la densidad de electrones n0es igual a la de huecos p0:

n0 = p0 = ni 1010cm3

En un semiconductor tipo n la densidad de electrones se aproxima a la deimpureza donadora N+d :

n0 N+d p0 n2iN+d

n0 p0

En un semiconductor tipo p la densidad de huecos se aproxima a la deimpureza aceptadora Na .

p0 Na n0 n2iNa

n0 p0

Generacin ptica

Los fotones absorbidos por la clula fotovoltaica producen pareselectrn-hueco que contribuyen a la generacin de electricidad.

La generacin ptica produce un exceso de portadores minoritarios n o pque se suma a la concentracin en equilibrio:

n = n0 + n o p = p0 + p

La variacin de la concentracin de portadores mayoritarios es depreciable.

Coeficiente de absorcin

El proceso de absorcin depende de la energa de los fotones:

Aquellos fotones con energa inferior a la de la banda prohibida delsemiconductor no interaccionan con este y lo atraviesan como si fueratransparente.

Si la energa del fotn incidente es mayor que la energa de la bandaprohibida, el fotn es absorbido despus de viajar una cierta distancia en elinterior del semiconductor.

Esta distancia depende del coeficiente de absorcin ( ) del semiconductor,que a su vez depende de la energa del fotn.

El coeficiente de absorcin es mayor para longitudes de onda cortas.

El flujo de fotones en el semiconductor decae exponencialmente con ladistancia:

(x, ) = 0e()x

La absorcin de un fotn genera un par electrn-hueco. La tasa degeneracin de pares est relacionada con el flujo de fotones:

G(x, ) =d(x, )dx

Coeficiente de absorcin de diferentes materiales

Dimensiones de la clula fotovoltaica en PC1D

El espesor de la clula fotovoltaica se especifca en:Device Thickness...

El rea de la superficie sobre la que incide la luz en:Device Area...

Densidad de impurezas en PC1D

Durante el proceso de fabricacin de lasclulas fotovoltaicas se introduce unaconcentracin de impurezas (dopado) debase para tener una conductividaduniforme y controlada.

La concentracin y tipo de impurezas deldopado de base se especifica en:Device Doping Background...Si en el panel se introduce la densidad deimpurezas el programa calcula laresistividad del material y viceversa.

Tambin aparece informacin sobre almovilidad y difusividad de los portadores decarga.

Propiedades pticas de los semiconductores en PC1D

Los parmetros que caracterizan laabsorcin de luz y el ndice derefraccin en el semiconductorpueden encontrarse en:Device Material Optical...PC1D utiliza estos parmetros paracalcular un modelo interno deabsorcin.

Sin embargo, es preferible utilizarmodelos experimentales deabsorcin.

PC1D dispone de una serie dearchivos con las caractersticas delos semiconductores mscorrientes:Device Material Open:

Silicio.Germanio.GaAs.Al0,3Ga0,7As.InP.

Ejercicio

Abrir PC1D sin cargar ningn archivo de ejemplo. La pantalla Parametersmuestra un bloque de semiconductor de tipo p, con un rea de 1cm2 y unespesor de 10m.Definir el material como silicio. Para ello cargamos el archivo SI.MAT conlas propiedades de este material.

Obtener la densidad intrnseca de portadores ni y el dopado de base Na dela vista Parameters (Region 1).

Simular y obtener la densidad de electrones y huecos de la grfica Carrierdensities

Coincide la densidad de huecos p0 con el dopado Na? Cul es la densidadde electrones n0? Comprobar que se cumple la aproximacin n0 n2i /Na.De donde proceden los electrones libres si no hay impurezas donadoras deelectrones ni iluminacin?

Redimensionar el espesor del bloque semiconductor a 100m.Habilitar una fuente de luz monocromtica frontal con los parmetros pordefecto y = 400nmRepresentar la grfica Generation & Recombination en la vista interactiva.Cambiar el eje X a escala logartmica si es necesario (doble click sobre elrea azul para ver el panel de opciones de grfico). Para qu profundidadse obtiene una generacin de carga mxima? (Observar que la grfica esacumulativa, la generacin mxima corresponde a la pendiente mxima dela curva).

Repetir la simulacin para longitudes de onda de 600nm y 1200nm. Cmoevoluciona el perfil de generacin? A qu se debe?

Repetir la simulacin para una longitud de onda 1300nm. Qu tasa degeneracin hay en el semiconductor? Explicar el resultado.

Simular de nuevo iluminando con un espectro AM1.5G A qu profundidadse obtiene la mxima generacin?

Recombinacin

1 Generacin de carga

2 RecombinacinTipos de recombinacinTiempo de vida, tasa de recombinacin y longitud de difusin.Parmetros de recombinacin en PC1DEjercicioCuestiones

Tipos de recombinacin

Cualquier electrn en la banda de conduccin se encuentra en estadometaestable. Transcurrido cierto tiempo se recombinar con un hueco volviendoa la banda de valencia. Este proceso puede ocurrir de tres maneras:

Recombinacin interbanda: Recombinacin directa de un electrn en labanda de conduccin con un hueco en la banda de valencia.

Recombinacin a travs de trampas locales: Recombinacin a travs dedefectos en la estructura cristalina del semiconductor que introducenniveles energticos en la banda prohibida.Sucede, por ejemplo, en las fronteras de grano de las clulas policristalinas.

Recombinacin superficial: Recombinacin a travs de los enlacesincompletos de la superficie del semiconductor.Se puede minimizar introduciendo recubrimientos superficiales (pasivacin).

Tiempo de vida, tasa de recombinacin y longitud de difusin.

Al tiempo medio que transcurre entre generacin y recombinacin se leconoce como tiempo de vida de los portadores de carga, .El proceso de recombinacin lleva el exceso de portadores minoritarios n(p) al equilibrio a un ritmo o tasa de recombinacin Rn (Rp).

Rn =nn

Rp =pp

Durante el tiempo de vida los portadores de carga pueden desplazarse unadistancia L (longitud de difusin).

Ln =Dnn Lp =

Dpp

Las clulas solares construidas con obleas que tienen portadores de cargaminoritarios con largos tiempos de vida y grandes longitudes de difusin sonms eficientes.

Para tasas de recombinacin superficial muy altas la recombinacin estlimitada por la velocidad a la que se mueven los portadores de carga en elsemiconductor ( 107cm/s).

Parmetros de recombinacin en PC1D

PC1D permite definir los tiempos de vida de los portadores de carga y lastasas de recombinacin en las superficies de la clula:Device RecombinationTambin se encuentra informacin relativa a la recombinacin propia delmaterial en:Device Material RecombinationEstos parmetros se encuentran los archivos que definen los materiales.

Ejercicio

Abrir el archivo PVCELL.PRM en PC1D.

Definir una simulacin mltiple dependiente del parmetro FrS (velocidadde recombinacin superficial de electrones y huecos) entre 102 y 1012cm/scon 15 pasos logartmicos.

Definir la variable BaseIsc (corriente de cortocircuito) como parmetro desalida.

Cmo evoluciona la corriente de cortocircuito para velocidades derecombinacin muy altas? A qu puede ser debido?

Cuestiones

1 Cul es la regin del espectro visible que se absorbe ms eficientementepor el silicio?

2 Por qu el silicio no absorbe la banda del infrarrojo lejano?

3 Cmo se puede reducir la recombinacin superficial?

4 Explicar por qu las clulas de silicio policristalino son menos eficientes quelas de silicio monocristalino.

Tema 2:Efecto fotovoltaico II

Separacin de la carga

3 Separacin de la cargaUnin PNDifusiones en PC1DEjercicioProbabilidad de recoleccinCorriente de cortocircuito y tensin de circuito abiertoEjercicioEficiencia cunticaEjercicio

4 El lmite de Shockley-Queisser

Unin PN

Una vez generado el par electrn-hueco, estos deben ser separados paracontribuir al flujo de corriente.

Esto se consigue introduciendo una unin PN (ver presentacin Diodos.pdf).

Los portadores de carga generados en el entorno de la unin sonarrastrados por el campo elctrico generado por la unin PN.

Para que la clula solar sea eficiente, la unin PN debe estar a una distanciadel orden de la longitud de difusin de los portadores de cargafotogenerados.

Para fabricar la unin PN se realiza una difusin de material tipo n sobre laoblea con dopado de base de tipo p.

El punto en que las densidades de impurezas donadoras y aceptadoras seigualan es la unin PN.

Difusiones en PC1D

PC1D permite definir dos perfiles dedifusin frontal y dos traseros, ascomo un externo.

El perfil de difusin se especifica en:Device Doping First Front...El tipo de perfil puede ser uniforme,exponencial, gausiano o unafuncin error.

Los parmetros que caracterizan elperfil son el dopado mximo, laprofundidad y la posicin del picode dopado.

El programa calcula la resistencia yla profundidad de la unin.

Ejercicio

Abrir el archivo de ejemplo PVCELL.PRM

Habilitar una simulacin mltiple dependiente del parmetro FrDopDpth1(profundidad del frente de difusin) desde 0.01 a 10 m, 20 pasos en escalalogartmica.

Escoger la potencia mxima de base como parmetro de salida y ejecutar lasimulacin.

Cul es la profundidad de difusin para la que se alcanza la mayor potenciade salida? Cul es la profundidad de la unin para este caso?

Probabilidad de recoleccin

La probabilidad de recoleccin es la probabilidad de que un portador decarga generado en el entorno de la unin sea separado por el campoelctrico interno.

La probabilidad de recoleccin en la zona de carga espacial es del 100%.

Si el par electrn hueco es generado a una distancia de la unin mayor quela longitud de difusin, la probabilidad de recoleccin disminuye.

Tambin disminuye si los portadores de carga se generan cerca de unasuperficie con alta tasa de recombinacin.

La probabilidad de recoleccin junto con la tasa de generacin determinanla corriente fotogenerada por la clula.

Corriente de cortocircuito y tensin de circuito abierto

La corriente de cortocircuito ISC es la mxima corriente que puedeproporcionar la clula, cuando esta se encuentra cortocircuitada.

La corriente de cortocircuito en una clula ideal es igual a la corrientefotogenerada.

En una clula perfectamente pasivada y con generacin uniforme lacorriente de cortocircuito depende de la longitud de difusin de losportadores de carga:

ISC = qG(Ln +Lp)

La longitud de difusin disminuye al aumentar la concentracin deimpurezas y, por tanto, los centros de recombinacin.

La tensin de circuito abierto VOC es la mxima tensin que puedealcanzarse en la salida de la clula al iluminarla.

Se puede determinar VOC a partir de la concentracin de portadores enexceso n en la base:

VOC =kTq

ln

[(NA + n)n

n2i

]

Ejercicio

Abrir el archivo de ejemplo PVCELL.PRM

Habilitar una simulacin mltiple dependiente del parmetro FrDopPeak1(concentracin mxima del perfil de dopado) desde 1013 hasta 1022cm3,en 10 pasos logartmicos.

Escoger la potencia mxima de salida, la tensin de circuito abierto y lacorriente de cortocircuito como parmetros de salida y ejecutar lasimulacin.

Hasta una concentracin de impurezas donadoras de 1016cm3 en el emisorla tensin de circuito abierto y la corriente de cortocircuito sonprcticamente nulas. Observar el valor del dopado de la base. Existe unaunin PN en este rango de dopado?

Ejercicio

La corriente de cortocircuito es mxima para una densidad de dopado de1017cm3 y a partir de ah disminuye. Representar un grfico de longitud dedifusin con eje x logartmico y ejecutar de nuevo la simulacin condensidades de dopado desde 1017cm3 hasta 1022cm3 en 6 pasoslogartmicos. Se puede observar las grficas de las diferentes simulacionescon las teclas AvPg y RePag. Explicar la disminucin de la corriente decortocircuito en relacin a la longitud de difusin.

La tensin de circuito abierto aumenta a partir de una densidad de dopadode 1017cm3. Representar una grfica de densidad de portadores y ejecutarla simulacin. Explicar el aumento de la tensin de circuito abierto enrelacin a la densidad de portadores minoritarios en la base.

Eficiencia cuntica

La eficiencia cuntica externa es la relacin entre el nmero de portadoresrecolectados y el nmero de fotones que inciden sobre la clula fotovoltaica.

La eficiencia cuntica interna es la relacin entre el nmero de portadoresrecolectados y el nmero de fotones absorbidos por la clula.

Ejercicio

Abrir el archivo de ejemplo PVCELL.PRM

Cargar el archivo de excitacin SCAN-QE.EXC

Ejecutar la simulacin y visualizar la grfica de eficiencia cuntica.

Observar el aumento de reflectividad para longitudes de ondas largas. Aqu se debe?

Relacionar la cada de eficiencia cuntica interna a bajas y altas longitudesde onda con la recombinacin en las superficies frontal y trasera.

El lmite de Shockley-Queisser

3 Separacin de la carga

4 El lmite de Shockley-QueisserDefinicinRadiacin de cuerpo negroRecombinacinPrdidas espectralesCuestiones

Definicin

El lmite de Shockley-Queisser es unclculo terico de la potencia mximaque se puede obtener de una clulasolar basada en una unin PN.

Para clulas convencionales de silicio laeficiencia mxima terica se encuentraen un 33,7%.

Las clulas comerciales alcanzaneficiencias del 22%. La diferencia sedebe a reflexiones y el bloqueo de la luzpor los contactos metlicos.

Radiacin de cuerpo negro

Por el hecho de encontrarse a una cierta temperatura, la clula fotovoltaicapierde energa por la emisin de radiacin de cuerpo negro.

La energa emitida es del orden del 7% de la radiacin solar incidente.

Recombinacin

La recombinacin impone un lmite a la tasa de produccin de corriente.

En el silicio, las prdidas por recombinacin suponen un 10%.

Otros materiales con mayor movilidad de los portadores de carga son mseficientes. El GaAs es un 5% ms eficiente que el silicio.

La recombinacin es crtica cuando se usan concentradores. El silicio sesatura rpidamente mientras que el GaAs admite tasas de concentracin dehasta 1500 veces el espectro solar.

Prdidas espectrales

Los fotones con energas menores que las de la banda prohibida no sonabsorbidos por la clula.

La energa sobrante en el proceso de generacin de pares electrn-huecotambin se pierde e forma de calor.

La eficiencia de conversin de energa en este caso es del 50%.

Cuestiones

1 Cmo se separan los pares electrn hueco generados en la clulafotovoltaica?

2 Por qu tiene que estar la unin PN prxima a la superficie de la clulafotovoltaica?

3 Cul es el efecto de un dopado fuerte en la corriente de cortocircuito y enla tensin de circuito abierto?

4 Cul es la relacin entre la eficiencia cuntica interna y la externa?

5 Qu es el lmite de Shockley-Queisser?

6 Cul es la eficiencia terica mxima de una unin PN de silicio?

Efecto fotovoltaicoGeneracin de cargaGeneracin trmicaGeneracin pticaCoeficiente de absorcinDimensiones de la clula fotovoltaica en PC1DDensidad de impurezas en PC1DPropiedades pticas de los semiconductores en PC1DEjercicio

RecombinacinTipos de recombinacinTiempo de vida, tasa de recombinacin y longitud de difusin.Parmetros de recombinacin en PC1DEjercicioCuestiones

Efecto fotovoltaico IISeparacin de la cargaUnin PNDifusiones en PC1DEjercicioProbabilidad de recoleccinCorriente de cortocircuito y tensin de circuito abiertoEjercicioEficiencia cunticaEjercicio

El lmite de Shockley-QueisserDefinicinRadiacin de cuerpo negroRecombinacinPrdidas espectralesCuestiones