Teoría de las células solares

La teoría de las células solares explica el proceso por el cual la energía luminosa de los fotones se convierte en corriente eléctrica cuando estos inciden en un dispositivo semiconductor adecuado . Los estudios teóricos son de utilidad práctica porque predicen los límites fundamentales de una célula solar y brindan orientación sobre los fenómenos que contribuyen a las pérdidas y a la eficiencia de la célula solar .

Diagrama de bandas de una célula solar, correspondiente a una corriente muy baja ( nivel de Fermi horizontal ), un voltaje muy bajo (bandas de valencia metálicas a la misma altura) y, por lo tanto, una iluminación muy baja.

Explicación práctica

1. Los fotones de la luz solar inciden en el panel solar y son absorbidos por materiales semiconductores.
2. Los electrones (cargados negativamente) se desprenden de sus átomos al ser excitados. Debido a su estructura especial y a los materiales de las células solares, los electrones solo pueden moverse en una única dirección. La estructura electrónica de los materiales es muy importante para que el proceso funcione y, a menudo, se utiliza silicio que incorpora pequeñas cantidades de boro o fósforo en diferentes capas.
3. Un conjunto de células solares convierte la energía solar en una cantidad utilizable de electricidad de corriente continua (CC).

Fotogeneración de portadores de carga

Cuando un fotón incide en un trozo de semiconductor, pueden ocurrir tres cosas:

1. El fotón puede pasar directamente a través del semiconductor: esto (generalmente) sucede con fotones de menor energía.
2. El fotón puede reflejarse en la superficie.
3. El fotón puede ser absorbido por el semiconductor si la energía del fotón es mayor que el valor de la banda prohibida . Esto genera un par electrón-hueco y, a veces, calor, dependiendo de la estructura de la banda.

Diagrama de bandas de una célula solar de silicio, correspondiente a una corriente muy baja ( nivel de Fermi horizontal ), un voltaje muy bajo (bandas de valencia metálicas a la misma altura) y, por lo tanto, una iluminación muy baja.

Cuando un fotón es absorbido, su energía se transfiere a un electrón en la red cristalina. Normalmente, este electrón se encuentra en la banda de valencia . La energía que el fotón le proporciona al electrón lo "excita" hasta la banda de conducción , donde puede moverse libremente dentro del semiconductor. La red de enlaces covalentes de la que antes formaba parte el electrón ahora tiene un electrón menos. Esto se conoce como un agujero y tiene carga positiva. La presencia de un enlace covalente faltante permite que los electrones enlazados de los átomos vecinos se muevan hacia el "agujero", dejando otro agujero detrás, propagando así los agujeros por toda la red en la dirección opuesta al movimiento de los electrones negativos. Se puede decir que los fotones absorbidos en el semiconductor crean pares electrón-hueco.

Un fotón solo necesita tener una energía mayor que la de la banda prohibida para excitar a un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción. Sin embargo, el espectro de frecuencia solar se aproxima a un espectro de cuerpo negro a unos 5.800 K, ^[1] y, como tal, gran parte de la radiación solar que llega a la Tierra está compuesta por fotones con energías mayores que la banda prohibida del silicio (1,12 eV), que está cerca del valor ideal para una célula solar terrestre (1,4 eV). Estos fotones de mayor energía serán absorbidos por una célula solar de silicio, pero la diferencia de energía entre estos fotones y la banda prohibida del silicio se convierte en calor (a través de vibraciones reticulares, llamadas fonones ) en lugar de en energía eléctrica utilizable.

La unión p–n

La célula solar más conocida está configurada como una unión p-n de gran superficie hecha de silicio. A modo de simplificación, se puede imaginar que se pone en contacto directo una capa de silicio de tipo n con una capa de silicio de tipo p. El dopaje de tipo n produce electrones móviles (dejando atrás donantes con carga positiva), mientras que el dopaje de tipo p produce huecos móviles (y aceptores con carga negativa). En la práctica, las uniones p-n de las células solares de silicio no se hacen de esta manera, sino difundiendo un dopante de tipo n en un lado de una oblea de tipo p (o viceversa).

Si se coloca un trozo de silicio de tipo p en estrecho contacto con un trozo de silicio de tipo n, se produce una difusión de electrones desde la región de alta concentración de electrones (el lado de tipo n de la unión) hacia la región de baja concentración de electrones (lado de tipo p de la unión). Cuando los electrones se difunden hacia el lado de tipo p, cada uno aniquila un hueco, lo que hace que ese lado tenga carga neta negativa (porque ahora el número de huecos positivos móviles es menor que el número de aceptores negativos). De manera similar, los huecos que se difunden hacia el lado de tipo n lo hacen más cargado positivamente. Sin embargo (en ausencia de un circuito externo) esta corriente de difusión de portadores no continúa indefinidamente porque la acumulación de carga en ambos lados de la unión produce un campo eléctrico que se opone a una mayor difusión de más cargas. Finalmente, se alcanza un equilibrio donde la corriente neta es cero, lo que deja una región a ambos lados de la unión donde los electrones y los huecos se han difundido a través de la unión y se han aniquilado entre sí, llamada región de agotamiento porque prácticamente no contiene portadores de carga móviles. También se conoce como región de carga espacial , aunque la carga espacial se extiende un poco más en ambas direcciones que la región de agotamiento.

Una vez que se establece el equilibrio, los pares electrón-hueco generados en la región de agotamiento se separan por el campo eléctrico, con el electrón atraído hacia el lado positivo de tipo n y los huecos hacia el lado negativo de tipo p, reduciendo la carga (y el campo eléctrico) acumulado por la difusión que acabamos de describir. Si el dispositivo no está conectado (o la carga externa es muy alta), entonces la corriente de difusión eventualmente restablecería la carga de equilibrio al traer al electrón y al hueco de regreso a través de la unión, pero si la carga conectada es lo suficientemente pequeña, los electrones prefieren rodear el circuito externo en su intento de restablecer el equilibrio, realizando un trabajo útil en el camino.

Separación de portadores de carga

Hay dos causas del movimiento y la separación de los portadores de carga en una célula solar:

1. Deriva de portadores, impulsada por el campo eléctrico, con electrones siendo empujados en una dirección y agujeros en la otra
2. difusión de portadores desde zonas de mayor concentración de portadores a zonas de menor concentración de portadores (siguiendo un gradiente de potencial químico).

Estas dos "fuerzas" pueden actuar una contra la otra en cualquier punto de la célula. Por ejemplo, un electrón que se desplaza a través de la unión de la región p a la región n (como en el diagrama que aparece al principio de este artículo) es empujado por el campo eléctrico contra el gradiente de concentración. Lo mismo ocurre con un hueco que se desplaza en la dirección opuesta.

Es más fácil entender cómo se genera una corriente cuando se consideran pares electrón-hueco que se crean en la zona de agotamiento, que es donde hay un campo eléctrico fuerte. El electrón es empujado por este campo hacia el lado n y el hueco hacia el lado p. (Esto es opuesto a la dirección de la corriente en un diodo polarizado directamente, como un diodo emisor de luz en funcionamiento). Cuando el par se crea fuera de la zona de carga espacial, donde el campo eléctrico es menor, la difusión también actúa para mover los portadores, pero la unión todavía desempeña un papel al barrer cualquier electrón que la alcance desde el lado p al lado n, y al barrer cualquier hueco que la alcance desde el lado n al lado p, creando así un gradiente de concentración fuera de la zona de carga espacial.

En las células solares gruesas hay muy poco campo eléctrico en la región activa fuera de la zona de carga espacial, por lo que el modo dominante de separación de portadores de carga es la difusión. En estas células, la longitud de difusión de los portadores minoritarios (la longitud que pueden recorrer los portadores fotogenerados antes de recombinarse) debe ser grande en comparación con el espesor de la célula. En las células de película delgada (como el silicio amorfo), la longitud de difusión de los portadores minoritarios suele ser muy corta debido a la existencia de defectos, y la separación de carga dominante es, por lo tanto, la deriva, impulsada por el campo electrostático de la unión, que se extiende a todo el espesor de la célula. ^[2]

Una vez que el portador minoritario entra en la región de deriva, es "barrido" a través de la unión y, al otro lado de la unión, se convierte en un portador mayoritario. Esta corriente inversa es una corriente de generación, alimentada tanto térmicamente como (si está presente) por la absorción de luz. Por otro lado, los portadores mayoritarios son impulsados ​​hacia la región de deriva por difusión (resultante del gradiente de concentración), lo que conduce a la corriente directa; solo los portadores mayoritarios con las energías más altas (en la llamada cola de Boltzmann; cf. Estadísticas de Maxwell-Boltzmann ) pueden cruzar completamente la región de deriva. Por lo tanto, la distribución de portadores en todo el dispositivo está gobernada por un equilibrio dinámico entre la corriente inversa y la corriente directa.

Conexión a una carga externa

Los contactos óhmicos metal -semiconductor se realizan tanto en el lado tipo n como en el lado tipo p de la célula solar, y los electrodos se conectan a una carga externa. Los electrones que se crean en el lado tipo n, o en el lado tipo p, "recogidos" por la unión y arrastrados hacia el lado tipo n, pueden viajar a través del cable, alimentar la carga y continuar a través del cable hasta que alcanzan el contacto semiconductor-metal tipo p. Aquí, se recombinan con un hueco que se creó como un par electrón-hueco en el lado tipo p de la célula solar, o un hueco que se barrió a través de la unión desde el lado tipo n después de crearse allí.

El voltaje medido es igual a la diferencia de los niveles cuasi Fermi de los portadores mayoritarios (electrones en la porción de tipo n y huecos en la porción de tipo p) en las dos terminales. ^[3]

Circuito equivalente de una célula solar

Circuito equivalente de una célula solar

Un modelo de circuito equivalente de la unión p–n de una célula solar ideal utiliza una fuente de corriente ideal (cuya corriente fotogenerada aumenta con la intensidad de la luz) en paralelo con un diodo (cuya corriente representa pérdidas por recombinación ). Para tener en cuenta las pérdidas resistivas , se añaden una resistencia en derivación y una resistencia en serie como elementos agrupados . ^[4] La corriente de salida resultante es igual a la corriente fotogenerada menos las corrientes a través del diodo y la resistencia en derivación: ^{[5] [6]} ${\displaystyle I_{\text{L}}}$ ${\displaystyle I_{\text{D}}}$ ${\displaystyle R_{\text{SH}}}$ ${\displaystyle R_{\text{S}}}$ ${\displaystyle I_{\text{out}}}$

${\displaystyle I_{\text{out}}=I_{\text{L}}-I_{\text{D}}-I_{\text{SH}}}$

El voltaje de unión (tanto en el diodo como en la resistencia de derivación) es:

${\displaystyle V_{\text{j}}=V_{\text{out}}+I_{\text{out}}\,R_{\text{S}}}$

donde es el voltaje entre los terminales de salida. La corriente de fuga a través de la resistencia de derivación es proporcional al voltaje de la unión , según la ley de Ohm : ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle I_{\text{SH}}}$ ${\displaystyle V_{\text{j}}}$

${\displaystyle I_{\text{SH}}={\frac {V_{\text{j}}}{R_{\text{SH}}}}}$

Según la ecuación del diodo Shockley , la corriente desviada a través del diodo es:

${\displaystyle I_{\text{D}}=I_{0}\left\{\exp \left[{\frac {V_{\text{j}}}{nV_{\text{T}}}}\right]-1\right\}}$^[7]

dónde

• I ₀ , corriente de saturación inversa
• n , factor de idealidad del diodo (1 para un diodo ideal)
• q , carga elemental
• k , constante de Boltzmann
• T , temperatura absoluta
• ${\displaystyle V_{\text{T}}=kT/q,}$el voltaje térmico . A 25 °C, voltio. ${\displaystyle V_{\text{T}}\approx 0.0259}$

Sustituyendo estos en la primera ecuación se obtiene la ecuación característica de una célula solar, que relaciona los parámetros de la célula solar con la corriente y el voltaje de salida:

${\displaystyle I_{\text{out}}=I_{\text{L}}-I_{0}\left\{\exp \left[{\frac {V_{\text{out}}+I_{\text{out}}R_{\text{S}}}{nV_{\text{T}}}}\right]-1\right\}-{\frac {V_{\text{out}}+I_{\text{out}}R_{\text{S}}}{R_{\text{SH}}}}.}$

Una derivación alternativa produce una ecuación de apariencia similar, pero con en el lado izquierdo. Las dos alternativas son identidades ; es decir, producen exactamente los mismos resultados. ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

Dado que los parámetros I ₀ , n , R _S y R _SH no se pueden medir directamente, la aplicación más común de la ecuación característica es la regresión no lineal para extraer los valores de estos parámetros en función de su efecto combinado sobre el comportamiento de la célula solar.

Cuando R _S no es cero, la ecuación anterior no se obtiene directamente, pero se puede resolver utilizando la función W de Lambert : ${\displaystyle I_{\text{out}}}$

${\displaystyle I_{\text{out}}={\frac {(I_{\text{L}}+I_{0})-V_{\text{out}}/R_{\text{SH}}}{1+R_{\text{S}}/R_{\text{SH}}}}-{\frac {nV_{\text{T}}}{R_{\text{S}}}}W\left({\frac {I_{0}R_{\text{S}}}{nV_{\text{T}}(1+R_{\text{S}}/R_{\text{SH}})}}\exp \left({\frac {V_{\text{out}}}{nV_{\text{T}}}}\left(1-{\frac {R_{\text{S}}}{R_{\text{S}}+R_{\text{SH}}}}\right)+{\frac {(I_{\text{L}}+I_{0})R_{\text{S}}}{nV_{\text{T}}(1+R_{\text{S}}/R_{\text{SH}})}}\right)\right)}$

_Cuando se utiliza una carga externa con la celda, su resistencia se puede simplemente sumar a RS y establecer en cero para encontrar la corriente. ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

Cuando R _SH es infinito existe una solución para cualquier número menor que : ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle I_{\text{out}}}$ ${\displaystyle I_{\text{L}}+I_{0}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=nV_{\text{T}}\ln \left({\frac {I_{\text{L}}-I_{\text{out}}}{I_{0}}}+1\right)-I_{\text{out}}R_{\text{S}}.}$

De lo contrario, se puede resolver utilizando la función W de Lambert: ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

${\displaystyle V=(I_{\text{L}}+I_{0})R_{\text{SH}}-I(R_{\text{S}}+R_{\text{SH}})-nV_{\text{T}}W\left({\frac {I_{0}R_{\text{SH}}}{nV_{\text{T}}}}\exp \left({\frac {(I_{\text{L}}+I_{0}-I)R_{\text{SH}}}{nV_{\text{T}}}}\right)\right)}$

Sin embargo, cuando R _SH es grande es mejor resolver la ecuación original numéricamente.

La forma general de la solución es una curva que disminuye a medida que aumenta (ver los gráficos a continuación). La pendiente en valores pequeños o negativos (donde la función W está cerca de cero) se acerca a , mientras que la pendiente en valores altos se acerca a . ${\displaystyle I_{\text{out}}}$ ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle -1/(R_{\text{S}}+R_{\text{SH}})}$ ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle -1/R_{\text{S}}}$

Tensión de circuito abierto y corriente de cortocircuito

Cuando la celda funciona en circuito abierto , = 0 y el voltaje a través de los terminales de salida se define como el voltaje de circuito abierto . Suponiendo que la resistencia de derivación es lo suficientemente alta como para ignorar el término final de la ecuación característica, el voltaje de circuito abierto V _OC es: ${\displaystyle I_{\text{out}}}$

${\displaystyle V_{\text{OC}}\approx {\frac {nkT}{q}}\ln \left({\frac {I_{\text{L}}}{I_{0}}}+1\right).}$

De manera similar, cuando la celda se opera en cortocircuito , = 0 y la corriente a través de los terminales se define como la corriente de cortocircuito . Se puede demostrar que para una celda solar de alta calidad ( R _S e I _{0 bajos y} R _SH alto ) la corriente de cortocircuito es: ${\displaystyle V_{\text{out}}}$ ${\displaystyle I_{\text{SC}}}$

${\displaystyle I_{\text{SC}}\approx I_{\text{L}}.}$

No es posible extraer energía del dispositivo cuando funciona en condiciones de circuito abierto o cortocircuito.

Efecto del tamaño físico

Los valores de IL , I0 , RS y RSH dependen del tamaño físico de la célula solar. Al comparar células que por lo demás son idénticas, una célula con el doble de área de unión que otra tendrá, en principio, el doble de _{IL e I0} porque _tiene el doble de área donde se genera la fotocorriente y a través _{de la cual puede fluir la corriente del diodo. Por el mismo argumento, también} tendrá la mitad de RS de la resistencia en serie relacionada con el flujo de corriente vertical; sin embargo, para células solares de _silicio de gran área, la escala de la resistencia en serie encontrada por el flujo de corriente lateral no es fácilmente predecible ya que dependerá crucialmente del diseño de la red (no está claro qué significa "por lo demás idéntica" a este respecto). Dependiendo del tipo de derivación, la célula más grande también puede tener la mitad de R _SH porque tiene el doble de área donde pueden ocurrir derivaciones; por otro lado, si las derivaciones ocurren principalmente en el perímetro, entonces R _SH disminuirá de acuerdo con el cambio en la circunferencia, no en el área.

Dado que los cambios en las corrientes son los dominantes y se equilibran entre sí, el voltaje en circuito abierto es prácticamente el mismo; V _OC comienza a depender del tamaño de la celda solo si R _SH se vuelve demasiado bajo. Para tener en cuenta el predominio de las corrientes, la ecuación característica se escribe con frecuencia en términos de densidad de corriente o corriente producida por unidad de área de celda:

${\displaystyle J=J_{\text{L}}-J_{0}\left\{\exp \left[{\frac {q(V_{\text{out}}+Jr_{\text{S}})}{nkT}}\right]-1\right\}-{\frac {V_{\text{out}}+Jr_{\text{S}}}{r_{\text{SH}}}}}$

dónde

• J , densidad de corriente (amperios/cm ² )
• J _L , densidad de corriente fotogenerada (amperios/cm ² )
• J ₀ , densidad de corriente de saturación inversa (amperios/cm ² )
• r _S , resistencia en serie específica (Ω·cm ² )
• r _SH , resistencia de derivación específica (Ω·cm ² ).

Esta formulación tiene varias ventajas. Una de ellas es que, dado que las características de las celdas se refieren a un área de sección transversal común, se pueden comparar para celdas de diferentes dimensiones físicas. Si bien esto tiene un beneficio limitado en un entorno de fabricación, donde todas las celdas tienden a tener el mismo tamaño, es útil en la investigación y para comparar celdas entre fabricantes. Otra ventaja es que la ecuación de densidad escala naturalmente los valores de los parámetros a órdenes de magnitud similares, lo que puede hacer que la extracción numérica de ellos sea más sencilla y precisa incluso con métodos de solución ingenuos.

Esta formulación tiene limitaciones prácticas. Por ejemplo, ciertos efectos parásitos adquieren mayor importancia a medida que el tamaño de las células se reduce y pueden afectar los valores de los parámetros extraídos. La recombinación y la contaminación de la unión tienden a ser mayores en el perímetro de la célula, por lo que las células muy pequeñas pueden presentar valores más altos de J ₀ o valores más bajos de R _SH que las células más grandes que, por lo demás, son idénticas. En tales casos, las comparaciones entre células deben realizarse con cautela y teniendo en cuenta estos efectos.

Este enfoque solo se debe utilizar para comparar células solares con un diseño comparable. Por ejemplo, una comparación entre células solares principalmente cuadráticas como las típicas células solares de silicio cristalino y células solares estrechas pero largas como las típicas células solares de película delgada puede llevar a suposiciones erróneas causadas por los diferentes tipos de trayectorias de corriente y, por lo tanto, la influencia de, por ejemplo, una contribución de resistencia en serie distribuida a r _S . ^{[8] [9]} La macroarquitectura de las células solares podría dar como resultado que se coloquen diferentes áreas de superficie en cualquier volumen fijo, en particular para células solares de película delgada y células solares flexibles que pueden permitir estructuras plegadas altamente convolucionales. Si el volumen es la restricción vinculante, entonces la densidad de eficiencia basada en el área de superficie puede ser de menor relevancia.

Electrodos conductores transparentes

Esquema de la recolección de carga por electrodos de células solares. La luz se transmite a través de un electrodo conductor transparente, lo que crea pares de electrones y huecos que son recolectados por ambos electrodos. ^[10]

Los electrodos conductores transparentes son componentes esenciales de las células solares. Pueden ser una película continua de óxido de indio y estaño o una red de cables conductores, en la que los cables son colectores de carga mientras que los espacios entre los cables son transparentes para la luz. Una densidad óptima de la red de cables es esencial para el máximo rendimiento de la célula solar, ya que una mayor densidad de cables bloquea la transmisión de la luz, mientras que una menor densidad de cables conduce a altas pérdidas por recombinación debido a una mayor distancia recorrida por los portadores de carga. ^[10]

Temperatura de la celda

Efecto de la temperatura sobre las características corriente-voltaje de una célula solar

La temperatura afecta la ecuación característica de dos maneras: directamente, a través de T en el término exponencial, e indirectamente a través de su efecto en I ₀ (estrictamente hablando, la temperatura afecta a todos los términos, pero a estos dos mucho más significativamente que a los otros). Mientras que el aumento de T reduce la magnitud del exponente en la ecuación característica, el valor de I ₀ aumenta exponencialmente con T . El efecto neto es reducir V _OC (el voltaje de circuito abierto) linealmente con el aumento de la temperatura. La magnitud de esta reducción es inversamente proporcional a V _OC ; es decir, las células con valores más altos de V _OC sufren reducciones más pequeñas en el voltaje con el aumento de la temperatura. Para la mayoría de las células solares de silicio cristalino, el cambio en V _OC con la temperatura es de aproximadamente −0,50%/°C, aunque la tasa para las células de silicio cristalino de mayor eficiencia es de alrededor de −0,35%/°C. A modo de comparación, la tasa para las células solares de silicio amorfo es de -0,20 a -0,30 %/°C, dependiendo de cómo esté fabricada la célula.

La cantidad de corriente fotogenerada IL aumenta ligeramente con el aumento de la temperatura debido a un aumento en la cantidad de portadores generados térmicamente en la celda. Sin embargo, este efecto es leve: aproximadamente 0,065 %/° _C para celdas de silicio cristalino y 0,09 % para celdas de silicio amorfo.

El efecto general de la temperatura sobre la eficiencia de la célula se puede calcular utilizando estos factores en combinación con la ecuación característica. Sin embargo, dado que el cambio en el voltaje es mucho más fuerte que el cambio en la corriente, el efecto general sobre la eficiencia tiende a ser similar al del voltaje. La mayoría de las células solares de silicio cristalino disminuyen su eficiencia en un 0,50 %/°C y la mayoría de las células amorfas disminuyen en un 0,15-0,25 %/°C. La figura anterior muestra las curvas IV que podrían verse normalmente para una célula solar de silicio cristalino a varias temperaturas.

Resistencia en serie

Efecto de la resistencia en serie sobre las características de corriente-voltaje de una célula solar

A medida que aumenta la resistencia en serie, la caída de tensión entre la tensión de unión y la tensión terminal se hace mayor para la misma corriente. El resultado es que la parte controlada por la corriente de la curva IV comienza a desviarse hacia el origen, lo que produce una disminución significativa y una ligera reducción de I _SC , la corriente de cortocircuito. Valores muy altos de R _S también producirán una reducción significativa de I _SC ; en estos regímenes, la resistencia en serie domina y el comportamiento de la célula solar se asemeja al de una resistencia. Estos efectos se muestran para las células solares de silicio cristalino en las curvas IV que se muestran en la figura de la derecha. ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

La potencia perdida a través de la resistencia en serie es . Durante la iluminación, cuando y son pequeños en relación con la fotocorriente , la pérdida de potencia también aumenta cuadráticamente con . Por lo tanto, las pérdidas de resistencia en serie son más importantes en intensidades de iluminación altas. ${\displaystyle I_{\text{out}}^{2}R_{\text{S}}}$ ${\displaystyle I_{\text{D}}}$ ${\displaystyle I_{\text{SH}}}$ ${\displaystyle I_{\text{L}}}$ ${\displaystyle I_{\text{L}}}$

Resistencia de derivación

Efecto de la resistencia de derivación en las características de corriente-voltaje de una célula solar

A medida que disminuye la resistencia en derivación, la corriente desviada a través de la resistencia en derivación aumenta para un nivel dado de voltaje de unión. El resultado es que la parte controlada por voltaje de la curva IV comienza a alejarse del origen, lo que produce una disminución significativa y una ligera reducción de V _OC . Valores muy bajos de R _SH producirán una reducción significativa de V _OC . Al igual que en el caso de una resistencia en serie alta, una célula solar mal derivada adoptará características operativas similares a las de una resistencia. Estos efectos se muestran para células solares de silicio cristalino en las curvas IV que se muestran en la figura de la derecha. ${\displaystyle I_{\text{out}}}$

Corriente de saturación inversa

Efecto de la corriente de saturación inversa sobre las características corriente-voltaje de una célula solar

Si se supone una resistencia de derivación infinita, la ecuación característica se puede resolver para V _OC :

${\displaystyle V_{\text{OC}}={\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {I_{\text{SC}}}{I_{0}}}+1\right).}$

Por lo tanto, un aumento de I ₀ produce una reducción de V _OC proporcional a la inversa del logaritmo del aumento. Esto explica matemáticamente la razón de la reducción de V _OC que acompaña a los aumentos de temperatura descritos anteriormente. El efecto de la corriente de saturación inversa en la curva IV de una célula solar de silicio cristalino se muestra en la figura de la derecha. Físicamente, la corriente de saturación inversa es una medida de la "fuga" de portadores a través de la unión p–n en polarización inversa. Esta fuga es el resultado de la recombinación de portadores en las regiones neutras a ambos lados de la unión.

Factor de idealidad

Efecto del factor de idealidad en las características corriente-voltaje de una célula solar

El factor de idealidad (también llamado factor de emisividad) es un parámetro de ajuste que describe en qué medida el comportamiento del diodo coincide con lo predicho por la teoría, que supone que la unión p–n del diodo es un plano infinito y que no se produce recombinación dentro de la región de carga espacial. Una coincidencia perfecta con la teoría se indica cuando n = 1. Sin embargo, cuando la recombinación en la región de carga espacial domina a otra recombinación, n = 2. El efecto de cambiar el factor de idealidad independientemente de todos los demás parámetros se muestra para una célula solar de silicio cristalino en las curvas IV que se muestran en la figura de la derecha.

La mayoría de las células solares, que son bastante grandes en comparación con los diodos convencionales, se aproximan bien a un plano infinito y, por lo general, exhibirán un comportamiento casi ideal en condiciones de prueba estándar ( n ≈ 1 ). Sin embargo, en ciertas condiciones de funcionamiento, el funcionamiento del dispositivo puede estar dominado por la recombinación en la región de carga espacial. Esto se caracteriza por un aumento significativo en I ₀ , así como un aumento en el factor de idealidad a n ≈ 2. Este último tiende a aumentar el voltaje de salida de la célula solar, mientras que el primero actúa para erosionarlo. El efecto neto, por lo tanto, es una combinación del aumento de voltaje mostrado para aumentar n en la figura de la derecha y la disminución de voltaje mostrada para aumentar I ₀ en la figura anterior. Normalmente, I ₀ es el factor más significativo y el resultado es una reducción en el voltaje.

A veces, se observa que el factor de idealidad es mayor que 2, lo que generalmente se atribuye a la presencia de un diodo Schottky o una heterojunción en la celda solar. ^[11] La presencia de un desplazamiento de heterojunción reduce la eficiencia de recolección de la celda solar y puede contribuir a un factor de llenado bajo.

Otros modelos

Si bien el modelo anterior es el más común, se han propuesto otros modelos, como el modelo discreto d1MxP. ^[12]

Véase también

• Fuerza electromotriz § Célula solar

Referencias

1. NASA Solar System Exploration - Sun: Facts & Figures Archivado el 3 de julio de 2015 en Wayback Machine. Consultado el 27 de abril de 2011. "Temperatura efectiva... 5777 K"
2. Carlson, D., Wronski, C. (1985). "Células solares de silicio amorfo". Temas de Física Aplicada: Semiconductores amorfos: Células solares de silicio amorfo . Vol. 36. Springer Berlin / Heidelberg. págs. 287–329. doi :10.1007/3-540-16008-6_164. ISBN . 978-3-540-16008-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) ISBN  9783540160083 , 9783540707516 .
3. "La célula solar bajo la luz". PV Lighthouse . Archivado desde el original el 15 de febrero de 2016.
4. Eduardo Lorenzo (1994). Electricidad solar: Ingeniería de sistemas fotovoltaicos. Progensa. ISBN 84-86505-55-0.
5. Antonio Luque y Steven Hegedus (2003). Manual de ciencia e ingeniería fotovoltaica. John Wiley and Sons. ISBN 0-471-49196-9.
6. Jenny Nelson (2003). La física de las células solares. Imperial College Press. ISBN 978-1-86094-340-9Archivado desde el original el 31 de diciembre de 2009. Consultado el 13 de octubre de 2010 .
7. exp representa la función exponencial
8. AG Aberle y SR Wenham y MA Green, "Un nuevo método para mediciones precisas de la resistencia en serie agrupada de células solares", Actas de la 23.ª Conferencia de especialistas en fotovoltaica del IEEE, págs. 113-139, 1993.
9. Nielsen, LD, Efectos de resistencia en serie distribuida en células solares", IEEE Transactions on Electron Devices, Volumen 29, Número 5, pág. 821 - 827, 1982.
10. Kumar, Ankush (2017). "Predicción de la eficiencia de células solares basada en electrodos conductores transparentes". Journal of Applied Physics . 121 (1): 014502. Bibcode :2017JAP...121a4502K. doi :10.1063/1.4973117. ISSN  0021-8979.
11. Chavali, RVK; Wilcox, JR; Ray, B.; Gray, JL; Alam, MA (1 de mayo de 2014). "Efectos no ideales correlacionados de las características de luz y oscuridad en celdas solares de heterojunción a-Si/c-Si". IEEE Journal of Photovoltaics . 4 (3): 763–771. doi :10.1109/JPHOTOV.2014.2307171. ISSN  2156-3381. S2CID  13449892.
12. Marqués Lameirinhas, Ricardo A.; P. Correia V. Bernardo, Catarina; N. Torres, João Paulo; Veiga, Helena Isabel; Mendonça dos Santos, Pedro (2023). "Modelado del efecto de defectos y grietas en el rendimiento de las células solares utilizando el modelo discreto d1MxP". Informes científicos . 13 (1): 12490. doi : 10.1038/s41598-023-39769-0. PMC 10393959 . PMID  37528136. 

Enlaces externos

• Calculadora de circuito equivalente de PV Lighthouse
• La química explicada: células solares de chemistryexplained.com