Celulas solares fotovoltaicas

CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS
TIPOLOGÍA Y CARACTERÍSTICAS QUE LAS DEFINEN

-El rendimiento/eficiencia del material se define por la cantidad de energía procedente
de la radiación solar que es capaz de transformar en energía eléctrica. La superficie
del material de cara a la radiación solar, debería ser lo mayor posible.
DEFINICIÓN. La célula solar fotovoltaica es el dispositivo capaz de capturar la
energía del Sol y convertir parte de esa energía en electricidad. Los problemas que
presenta el aprovechamiento de la energía son:
-La radiación procedente del sol se caracteriza por su INTERMITENCIA, DISPERSIÓN Y
BAJA DENSIDAD. Además, la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra es
aproximadamente el 50% de la irradiación emitida por el Sol.

PARÁMETROS QUE
IDENTIFICAN LAS
CURVAS DE UNA
CÉLULA FV.
-Tensión en circuito abierto (VOC).
-Intensidad de cortocircuito (Isc) .
-Punto de máxima potencia (MPP).

Los valores que identifican las curvas de una célula son en condiciones C.E.M.:
-Una TENSIÓN EN VACÍO o TENSIÓN EN CIRCUITO ABIERTO (VOC) u OPEN CIRCUIT
VOLTAGE. Corresponde a la máxima tensión que puede proporcionar o generar una
célula (o módulo o campo fotovoltaico). Es la tensión cuando la corriente de la célula
es nula (ICELL=0 A) al dejar los terminales al aire (sin conectarlos a nada).
-Una INTENSIDAD DE CORTOCIRCUITO (ISC) o SHORT CIRCUIT CURRENT. Corresponde a
la máxima corriente que puede generar una célula (o módulo o campo fotovoltaico).
Es la corriente cuando la tensión de la célula se anula (VCELL=0 V). Se obtiene uniendo
mediante un cable, de sección adecuada, los dos terminales de una célula o módulo
o campo fotovoltaico. Suele tener un valor entre un 5% y un 15% mayor que la
corriente en el punto de máxima potencia.

-Un PUNTO MÁXIMO DE POTENCIA (MPP de maximum power point) donde se
entrega la potencia de pico (PPK), o PMPP definido por la corriente en el punto de
máx. potencia (IMPP) y por la tensión en el punto de máx. potencia (VMPP).
CONDICIONES
ESTÁNDAR DE
MEDICIÓN.
-Irradiancia :1.000 w/m2.
-Tª de la célula: 25ºC
-Masa de Aire (AM): 1,5

-TENSIÓN EN EL PUNTO DE POTENCIA MÁX. (VMPP) Es la tensión correspondiente
a la potencia máxima medida en condiciones estándar (C.E.M./S.T.C.).
-INTENSIDAD EN EL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA. (IMPP) Es la intensidad de
corriente que genera la célula fotovoltaica, en el punto de potencia y medida en
condiciones estándar (C.E.M./S.T.C.).
-POTENCIA ELÉCTRICA MÁXIMA O DE PICO (PEAK POWER). (PMPP) Es la potencia
máxima que puede generar el panel o módulo en condiciones C.E.M./S.T.C. y
se define por el punto de la curva I-V donde el producto de la intensidad
generada y la tensión es máximo. El nombre de “pico” hace referencia a que,
en realidad, una intensidad de 1.000w/m2 es difícil de “captar”.

CURVA CTCA. DE UNA CÉLULA DE SILICIO CRISTALINO.

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA. (ɳ)
Es el rendimiento máximo medido en condiciones estándar que, si no se
especifica, puede calcularse a partir de la siguiente ecuación puesto que calculado
en tanto por uno, viene dado por la expresión que figura en el recuadro inferior.
-VMPP viene dada en V.
-IMPP en A
-S es la superficie efectiva de la célula o elemento fotovoltaico en m2.
-G es la Irradiancia en w/m2
ɳ 𝒎 =
𝑽 𝑴𝑷𝑷 × 𝑰 𝑴𝑷𝑷
𝑷𝑰𝑵𝑪𝑰𝑫𝑬𝑵𝑻𝑬
=
𝑮 × 𝑺

∆T>0
∆ISC>0
∆VOC<0
∆ɳ<0
INFLUENCIA DE LA Tª SOBRE LOS PARÁMETROS BÁSICOS DE UNA CÉLULA.

EXPLICACIÓN DE LA EXPRESIÓN DEL RENDIMIENTO DE LA CÉLULA F.V.
-En la expresión del rendimiento de una célula la PINCIDENTE es la energía
luminosa que llega a la célula por unidad de tiempo y lo que obtenemos
es la potencia eléctrica (VMPP·IMPP) máxima para dichas condiciones de
trabajo.
-Aproximadamente entre un 13% a un 20% de la energía solar es
transformada en energía eléctrica en los módulos actuales de silicio
policristalino y monocristalino.
-Debido a esta baja eficiencia en la conversión de la luz solar en
electricidad es por lo que se precisan grandes superficies de módulos
fotovoltaicos para conseguir potencias elevadas.

-FACTOR DE FORMA (FILL FACTOR). Se define como el cociente entre la potencia
máxima que se puede entregar a una carga por parte de una célula y el producto de
la tensión de circuito abierto y la intensidad de cortocircuito (C.E.M./S.T.C.).
-Los valores habituales del factor de forma (F.F.) oscilan entre 0,7 y 0,8.
-También se puede definir como el cociente entre el área del rectángulo formado por
el origen de coordenadas y el punto de máxima potencia del rectángulo de lados ISC
y VOC.
𝑭. 𝑭.=
𝑽 𝒐𝒄 × 𝑰 𝒔𝒄

EN VOC E ISC LA POTENCIA DE LA CÉLULA SOLAR ES CERO.

•MATERIAL ELEMENTALES: el material más utilizado es el silicio (Si), aunque
también se utilizan el germanio (Ge) y selenio (Se).
•COMPUESTOS BINARIOS: los compuestos binarios que se han investigado
han sido muchos, aunque lo más habituales han sido: CdTe, AsGa, InP,
CdS…
•COMPUESTOS TERNARIOS: entre otros cabe destacar algunos compuestos
como AlGaAs, y los compuestos de estructura calcopirita basados en el Cu,
como CuInSe2, …
CLASIFICACIÓN DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS POR EL TIPO DE MATERIALES:

CLASIFICACIÓN DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS POR SU ESTRUCTURA INTERNA
-MONOCRISTALINAS. La tecnología monocristalina ha ocupado durante años el
primer lugar en porcentaje de implantación en la instalación de estructuras
fotovoltaicas. El silicio monocristalino está formado por cristales orientados de la
misma forma, por lo que la red cristalina es uniforme en todo el material y tiene
muy pocas imperfecciones.
-Su principal ventaja es la eficiencia (14-20%), muy superior a la del silicio
policristalino y a la del Silicio Amorfo.
-Tienen una duración media de vida de 20-25 años.

-Así pues, se trata de una estructura completamente ordenada y periódica
de átomos, de forma que todos tienen una orientación cristalina, es decir,
todos los átomos están dispuestos de manera asimétrica y uniforme.
-Presentan una monocromía con un color azulado oscuro y con un cierto
brillo metálico.
-El Silicio monocristalino presenta prestaciones y duración en el tiempo
superiores a cualquier otro tipo de Silicio. Por su rentabilidad energética
son las células más utilizadas.

Los módulos monocristalinos están compuestos de un solo cristal de silicio. En
estado puro, los átomos de silicio están perfectamente alineados. Gracias a esta
estructura pura se garantiza la máxima eficiencia.

El mayor problema reside en el comportamiento frente a la temperatura
(coeficiente térmico), entre otras causas por su color más oscuro, por lo que
finalmente la producción se asemeja bastante a la de un panel policristalino.

PRINCIPALES TIPOS DE CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS:
-POLICRISTALINAS. Los cristales no están orientados de la misma manera
y, por tanto, la red cristalina no es uniforme en todo el material,
apreciándose las zonas donde los cristales tienen la misma orientación.
La eficiencia de este tipo de cristales es similar a la tecnología
monocristalina (15%).
En condiciones de altas temperaturas, los paneles solares policristalinos
pueden ser algo mas productivos. Ello es debido a que los incrementos de
Tª les afectan menos .

-Son visualmente muy reconocibles por presentar su superficie un aspecto
granulado, composición de diferentes cristales azulados y grises metálicos.
Por las características físicas del silicio cristalizado, los paneles fabricados
siguiendo esta tecnología presentan un grosor considerable.
-La diferencia fundamental con respecto al silicio monocristalino es que
presentan un forma totalmente cuadrada, esto que se aproveche mejor el
espacio entre las células que componen el panel solar.
-También presenta la ventaja de que el coste por módulo o panel es menor,
ya que se aplica menos silicio en su fabricación y su proceso es menos
silicio en su fabricación y su proceso es menos complicado.

Los lingotes de silicio policristalino tienen cristales desalineados y distintos tonos
azulados. La célula policristalina es menos pura que la célula monocristalina pero con
menos fases de cristalización aunque se ahorra en costes de fabricación.

COMPARATIVA SILICIO MONO/POLICRISTALINO:
-Respecto al rendimiento, las células monocristalinas tienen un rendimiento
teórico (en el laboratorio) mayor . Sin embargo, la práctica llega a
demostrarnos que esa ventaja teórica no sólo no existe, sino que las
policristalinas suelen estar a la par e incluso mejorar en prestaciones a las
monocristalinas.
-El rendimiento de una célula suele medirse en condiciones ideales de
radiación solar y de temperatura, condiciones C.E.M./S.T.C. En base a estos
datos los fabricantes informan del rendimiento de sus paneles. Pero el
funcionamiento diario es muy distinto, ya que las célula trabajan a bastante
más temperatura.

COMPARATIVA SILICIO MONO/POLICRISTALINO:
-La célula monocristalina tiene peor coeficiente térmico, es decir, ante un
aumento de temperatura, las células monocristalinas disminuyen más su
rendimiento que las policristalinas.
-Por otro lado hemos de tener en cuenta el color de la célula, que en las
policristalinas es más claro que el de las monocristalinas que son muy
oscuras. Esto provoca un mayor absorción de calor y el consiguiente
aumento de temperatura.

PRINCIPALES TIPOS DE CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS:
-SILICIO AMORFO (a-Si). No hay red cristalina, obteniendo rendimientos
máximos alrededor de un 9% inferiores a los de silicio monocristalino. Por
tratarse de un material muy absorbente de la luz solar tan solo se
precisan capas delgadas de material semiconductor. Para una potencia
similar se utiliza alrededor del 3% de lo que se usaría en silicio cristalino.
Presenta el inconveniente de una alta degradación respecto a la potencia
eléctrica generada en las primeras semanas de funcionamiento, lo que ha
frenado su comercialización masiva hasta el momento actual.

LA MALEABILIDAD ES UNA DE LAS PROPIEDADES DE LAS CÉLULAS DE a-Si

ASPECTOS SINGULARES (VENTAJAS) DE LA TECNOLOGÍA DE SILICIO AMORFO SON:
-Facilidad para realizar módulos flexibles.
-Reducción de gasto energético o coste de fabricación.
-Facilidad para realizar módulos flexibles.
-Mejor comportamiento frente a la luz difusa (d. nublados).
-Alto grado de maleabilidad (propiedad que presentan algunos
materiales de poder ser descompuestos en láminas sin que el
material en cuestión se rompa).
-Son muy eficientes bajo iluminación artificial (con eficiencia –en este
caso- superior a la del Silicio Cristalino).

ASPECTOS SINGULARES DESTACADOS DE ESTA TECNOLOGÍA SON:
-Reducción del espacio. Las láminas de Silicio Amorfo son realmente muy
delgadas, y si encontramos un substrato sobre el cual aplicarlas que
resulta cómodo podremos llegar a obtener un panel solar realmente
versátil.
-Gran adaptabilidad. Ya que este tipo de células funciona como si las
imprimiésemos en un sustrato, podemos ver que sus características
posibilitan la fabricación de paneles curvos y su aplicación a lugares
inaccesibles.
-Esta tecnología tiene un rendimiento comprendido entre un 5 y un 10%
para las células comercializadas y hasta un 13% en laboratorio.

-Las células y módulos fotovoltaicos de a-Si (Silicio Amorfo) se suelen emplear
cuando el espacio no es problema o aprovechando su maleabilidad para integrarlo
en la arquitectura, si bien su baja eficiencia obliga a una mayor superficie para una
misma producción. .

Algunos de sus usos más comunes son:
-Instalación en tejados y superficies de edificios de oficinas donde se aplica en
tamaños considerables por su adaptabilidad.

-Las tejas solares permiten la configuración de paneles flexibles y adaptarse a
cualquier forma (a-Si).

-Utilización en relojes y calculadoras solares así como su uso en interiores, en
atmósferas con mucho polvo, etc…
CÉLULA SOLAR DE SILICIO AMORFO. MÓDULO F.V. DE 12V y 4w

CALCULADORA DE BOLSILLO ALIMENTADA POR CÉLULAS DE SILICIO AMORFO

CÉLULAS DE TELURURO DE CADMIO (CdTe):
PROPIEDADES:
-Tiene un rendimiento del 17-18% y en módulos comerciales del 8%. Es un
material policristalino, formado por pequeños cristales de varias micras de
tamaño.
-Trabaja mejor que el silicio a altas temperaturas, hecho de gran importancia para
células que trabajan en sistemas concentradores de radiación
-Uno de sus problemas es su elevada resistividad eléctrica, solventada mediante
la adición de una capa de ZnTe entre el CdTe y el contacto.

CÉLULAS/TELURURO DE CADMIO (CdTe). INCONVENIENTES PARA SU USO.
-Las reservas existentes en la Tierra son suficientes para permitir un crecimiento
exponencial de esta tecnología, pero aún está por determinar si estas reservas
serán fácilmente explotables, y como afectará su extracción al precio del teluro
y de los módulos CdTe.
-El principal inconveniente radica en la toxicidad producida por el Cd. La unión
CdTe no es tóxica y sí muy estable. Los riesgos medioambientales y de salud,
solo aparecen cuando está en estado gaseoso.
-El punto de fusión del CdTe es de 1.050ºC, demasiado elevado en el caso de
incendios en edificios residenciales pero no en fuegos industriales donde
existen otro tipo de combustibles y puede fundirse el Cadmio.

ARSENIURO DE GALIO (GaAs).
-Material que presenta alto rendimiento, siendo el material más indicado para la
fabricación de paneles, presentando unos rendimientos en laboratorio del 25,7%
y en las células comerciales un 20%. Con poco material se obtiene una eficacia
muy elevada, a diferencia de las células de silicio cristalino que son de mayor
espesor ya que tienen un coeficiente de absorción de la luz incidente muy
reducido. Por este motivo, es un material muy apto para tecnologías
aeroespaciales. El problema que presenta esta tecnología es la escasez de
material, encareciendo mucho el precio.
-Trabaja mejor que el Silicio. a altas temperaturas, importante para células que
trabajan en sistemas concentradores de radiación.

POR SU ALTO COEFICIENTE DE ABSORCIÓN, EL GaAs ES UN MATERIAL MUY
ADECUADO PARA SU USO EN TECNOLOGÍAS AEROESPACIALES.

COBRE INDIO GALIO.
-Presenta rendimientos en laboratorios próximos al 17% y en módulos
comerciales del 9%.
-Su tecnología de fabricación es completamente distinta, basadas en una o
varias capas delgadas de material fotovoltaico sobre un soporte semirrígido.
-Su maleabilidad unida a que las altas temperaturas y sombras tienen un
impacto menor convierte a este tipo de células en una alternativa válida
para su integración arquitectónica, si bien su baja eficiencia obliga a una
mayor superficie para una misma producción.

EFECTO DE LAS CONDICIONES EXTERIORES: IRRADIANCIA.
-Las condiciones de funcionamiento de una célula solar vienen referidas a
condiciones estándar que raramente se reproducen: G= 1000 W/m2
-Las variaciones en la intensidad de la irradiación influyen en la corriente
fotogenerada, y con ello de forma decisiva en la intensidad de Cortocircuito ISC
mientras que la VOC se ve muy poco afectada.
-La ISC para una irradiancia G distinta de las condiciones estándar se obtiene
mediante la expresión:
𝑰 𝒔𝒄 (𝑮) = 𝑰 𝒔𝒄 (𝑪.𝑬.𝑴.) ∙
𝑮
𝒘
𝒎 𝟐
𝟏. 𝟎𝟎𝟎
𝒘
𝒎 𝟐

EFECTO DE LAS CONDICIONES EXTERIORES: TEMPERATURA.
-El punto de trabajo ideal de una célula se sitúa en las condiciones estándar (Tª
25ºC), a partir de los cuales la temperatura exterior afecta a la temperatura de la
célula modificando los valores de trabajo de Intensidad y sobre todo tensión. La
temperatura de trabajo de la célula TCELL se obtiene en función de:
-TAMB: Temperatura ambiente (ºC)
-T.O.N.C.: Temperatura de Operación Nominal de Célula (ºC).
-E (w/m2): Valor suministrado por el fabricante (puede tomarse 47ºC).
𝑻 𝑪𝑬𝑳𝑳 = 𝑻 𝑨𝑴𝑩 +
𝑻. 𝑶. 𝑵. 𝑪.−𝟐𝟎
𝟏. 𝟎𝟎𝟎
∙ 𝑬

FACTORES DE CORRECCIÓN POR TEMPERATURA.
Los fabricantes suelen proporcionar tres factores de corrección, ya sea en valor
absoluto o porcentual:
-α Coeficiente Intensidad-Temperatura (A/ºC o %/ºC) Especifica el aumento de la
ISC por grado de aumento de temperatura.
-β Coeficiente de Tensión-Temperatura (V/ºC o %/ºC). Especifica la disminución
de la VOC por grado de aumento de temperatura.
-δ Coeficiente Potencia-Temperatura (W/ºC o %/ºC). Especifica la disminución de
la Potencia por grado de aumento de temperatura.

Dado un modulo fotovoltaico de VOC=44V en condiciones C.E.M. (25ºC) con un
coeficiente Tensión Temperatura de -0,34%/ºC, establecer su VOC de
funcionamiento para una temperatura de célula de 50ºC (aprox. 25ºC
ambiente).
𝜷 =
𝜷(%)
𝟏𝟎𝟎
∙ 𝑽 𝒐𝒄
𝜷 =
−𝟎, 𝟑𝟒
𝟏𝟎𝟎
∙ 𝟒𝟒 = 𝟎, 𝟏𝟒𝟗𝟔𝑽
𝑽 𝒐𝒄 𝟓𝟎º𝑪 = 𝑽 𝒐𝒄 + 𝜷 𝑻 𝑪𝑬𝑳𝑳 − 𝟐𝟓 = 𝟒𝟒 − 𝟎, 𝟏𝟓 𝟐𝟓
𝑽 𝒐𝒄 𝟓𝟎º𝑪 = 𝟒𝟎, 𝟐𝟓𝑽

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