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Dominican Republic| Nov-16 | Celdas Solares

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Presenter: Dr. Arturo Fernández Madrigal
Instituto de Energías Renovables –UNAM

Publicado en: Ciencias
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Dominican Republic| Nov-16 | Celdas Solares

  1. 1. Dr. Arturo Fernández Madrigal Instituto de Energías Renovables –UNAM afm@ier.unam.mx Tel +52-5556229705 Taller Regional: Fuentes de energía sostenibles para el desarrollo rural y la resiliencia de comunidades en Centroamérica, el Caribe y México Noviembre 16-18,2016
  2. 2. • De la población de 112 millones de personas en Mexico, el 97% tienen acceso a la red eléctrica de la CFE • 3.5 millones de personas no tiene acceso a la red electrica • A partir del año 1955 se ha invertido la población rural a la población urbana de 70:30 a 30:70. • Como resultado se ha provocado el abandono de los campos agrícolas y se a causado trastornos en el desarrollo urbano. • Para el rescate de las zonas rurales es necesario proveer energía eléctrica, con el propósito de mejorar el sector agropecuario: irrigación, preparación de las tierras y fertilización; sector doméstico: iluminación, elaboración, preparación y conservación de los alimentoso; sector de la industria y los servicios comerciales rurales: iluminaciónel propósito de poder extraer el agua de los pozos, expandir la agricultura, proveer servicios de salud; procesos industriales; - servicios comunales y sociales: bombeo de agua, refrigeración para los centros de salud; iluminación de las instalaciones comunales.
  3. 3. El efecto fotovoltaico es el proceso a través del cual la radiación solar es convertida a electricidad. Los dispositivos en donde se lleva a cabo esta transformación se llaman celdas solares, la cual es la unidad mínima en donde se lleva a cabo dicha transformación. Es posible definir al "efecto fotovoltaico" como la generación de una fuerza electromotriz, cuyo producto es el efecto de la radiación ionizante en un material. Este efecto ocurre en materiales, en estado gaseoso, líquidos y sólidos. Es en los sólidos, y particularmente en algunos materiales del tipo semiconductores en donde es posible obtener eficiencias aceptables de conversión de energía solar a energía eléctrica. Principio de funcionamiento
  4. 4. Unión p-n Celda Solar • La estructura básica de una celda solar es la unión p-n. • Al recibir la radiación solar en forma de fotones, una parte de ella será absorbida por algunos electrones de valencia en ambos semiconductores, creándose un electrón fotogenerado y por consecuencia dejando un hueco fotogenerado. • Los portadores de carga fotogenerado viajan dentro de la estructura hacia la unión, bajo un gradiente de concentración. • En la unión radica aparece un campo eléctrico externo que actúa sobre estos y los separa, (los electrones generados al lado n y a los huecos al lado p. • La concentración de electrones fotogenerados en el lado n y de los huecos en el lado p, son los responsables que aparezca un fotovoltaje. • Este fotovoltaje es el responsable de enviar al exterior a dichos portadores de carga, produciéndose una corriente IL, si se coloca una resistencia de carga en los extremos de la celda solar.
  5. 5. • Los principales parámetros característicos de una estructura fotovoltaica son: • el voltaje del circuito abierto, VOC; • la corriente a corto circuito, ISC; • la corriente de saturación, I0; • el voltaje máximo que origina la potencia máxima, • VM; la corriente máxima que origina la potencia máxima, • IM; la potencia máxima PM y • FF, es el factor de llenado, el cual representa la cuadratura de la curva I-V (Fig.4) en términos de ISC y VOC. Una medición corriente-voltaje, es aquella en la que se aplican una o más diferencias de potencial (o voltajes) y se mide la corriente I que pasa por el material o dispositivo. Parámetros característicos de una celda solar
  6. 6. Las celdas solares se clasifican en:  Primera generación: Son las celdas formadas por dispositivos de homounión. Existen las del tipo mono y policristalinas de silicio, principalmente.  Segunda generación: Son las celdas formadas por heterouniones en forma de película delgada, depositadas en un substrato rígido o flexible. El rango de espesores de estas varia desde algunos nanómetros hasta decimas de micra.  Tercera generación: Denominadas también celdas solares emergentes. Representan innovaciones, basadas en compuestos orgánicos o inorgánicos. (celdas solares sensibilizadas, organicas, microesferas, etc.)
  7. 7.  Avances de celdas solares basadas en Silicio Se trabajan en mejorar la produccion los procesos obtener Si grado celda solar, encontrandose una mejora de 5 veces que los metodos tradicionales. Se explora como reducir costos de las tecnologias de fabricacion de celda de diversos tipos de silicio (poli, mono y amorfo). Se explora la posibilidad de utilizar al silicio poros para mejorar las caracterisiticas fotovoltaicas. Se esta desarrollando el silicio en forma de cinta, con espesores del orden de 100 μm. En silicio amorfo, es posible alanzar eficiencias entre 5-7%, pero usando dobles o triples uniones es posible incremantarla a 8-10%. Se estudia el desarrollo de variantes usando Carburo de Silicio amorfo (a-SiC), Germanio silicio amorfo (a-SiGe), Silicio microcristalino (μc-Si), Nitruro de silicio amorfo (a-SiN)
  8. 8. Celdas solares de película delgada
  9. 9. Celdas Solares de película delgadas  Entre las mas importantes desde el punto de vista tecnológico y comercial se encuentran las siguientes:  Teluro de Cadmio (CdTe).  Diselenuro de cobre indio galio (CIGS).  Celdas solares sensibilizas (DSC).  Celdas solares orgánicas.  Películas delgas de silicio (TF-Si).
  10. 10. Celdas solares de Película delgada Cu(In,Ga)Se2 ZnO CdS Cu(In,Ga)Se2 absorbedor Sustrato Contacto superior ZnO:Al Contacto inferior Mo 3 mm 1µm 1- 3µm 50nm 80nm 500nm Radiación MoSe2 50nm celdas solares con eficiencia de 20,8 % Utilizando evaporación reactiva . Mo CIGS ZnO:Al CdS ZnO Mo CIGS ZnO:Al CdS ZnO (a) (b) Celda Solar con eficiencia del 2.1% elaborada por la tecnica del electrodeposito 0 100 200 300 400 500 600 -30 -20 -10 0 CIGS por evaporación Irradiancia = 1 000 W/m 2 Área de la celda = 0,237 cm 2 Vca = 573 mV Jcc = 32,03 mA/cm 2 FF= 0,533  9,78 % CIGS por ED simultáneo y selenización Irradiancia = 1 000 W/m 2 Área de la celda = 0,21 cm 2 Vca = 354 mV Jcc = 27,9 mA/cm 2 FF= 0,287  2,83 % CIGS por evaporación, Densidaddecorriente(mA/cm 2 ) Voltaje (mV) CIGS por ED simultáneo y selenización
  11. 11. Celdas solares de Sulfuro de Antimonio configurations of solar cells prepared by thermal evaporation Diego Pérez-Martínez, José Diego Gonzaga-Sánchez, Fabiola De Bray-Sánchez, Geovanni Vázquez-García, José Escorcia- García, M. T. S. Nair, and P. K. Nair*. (2016). Simple solar cells of 3.5% efficiency with antimony sulfide-selenide thin
  12. 12. Celdas Solares de Sulfuro de Estano 15 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Jsc: 6.23 mA/cm 2 Voc: 0.470 V FF: 0.44 : 1.28 % Area: 1 cm 2 J(mA/cm 2 ) V (V) SnS-CUB (550 nm) ZnO:Al (450 nm) Ag Iluminación S.S. (HCl) 0.61 mm ZnO (180 nm) CdS (50 nm) 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 ZnO Eg=3.2 eV CdS Eg=2.5 eV SnS-T SnS Eg=1.74 eV  (nm) EQE(%) ZnO-T CdS-T 0 25 50 75 100 T(%) Large cubic structure (64 atoms) • SnS by Chemical bath deposition (CBD) • Band gap 1.77 eV • p-type conductividy 10-6 -1 cm-1 • The  product measuremetn of thin films Cub-SnS is 2x10-7 cm2 V-1.A. R. Garcia-Angelmo, et al Phys. Status Solidi A 212, 2332 (2015). R. E. Abutbul, Ana Rosa Garcia-Angelmo, et al, CrystEngComm,18, 5188 (2016)
  13. 13. Celdas solares Sensibilizadas con colorantes (DSSC) Curva I-V para celda solar usando pasta comercial de titanio nanoporoso Curva I-V para celda solar unsando pasta comercial Dyesol™
  14. 14. Celdas solares hibridas Heterouniones (a) Planar, (b) bulto, (c) Mezcla de naoparticulas dispersas, (d) Capa rugosa Diversos polimeros Conductores
  15. 15. Grupo de Celdas Solares Híbridas Materiales orgánicos e inorgánicos: - Polímeros conductores - Sulfuros y óxidos metálicos - PerovskitasMétodos de síntesis y depósito: - Baño químico - Microondas - Spin-coating - Evaporación Algunos trabajos representativos - Hernández-Granados, A. et al., “Sb2(SxSe1-x)3 sensitized solar cells prepared by solution deposition methods”, Mat. Sci. Semicon. Proc. 2016, 56, 222-227. - Moreno-Romero, P. M. et al., “Study of potential inhibitors to limit degradation of organometallic halides perovskites”, 2015 Materials Research Society (MRS) Fall Meeting & Exhibit, Boston, MA, USA. -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Sin TiO2 mp Jsc = 1.69 mA/cm2 Voc = 0.941 V FF= 0.564 = 0.897% V (V) J(mA/cm2 ) Con TiO2 mp Jsc = 17.84 mA/cm2 Voc = 0.935 V FF= 0.367 = 6.12%
  16. 16. Con permiso del Miguel Contreras, NREL-2009
  17. 17. Gracias

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