Actividad 13 Celdas Fotovoltaicas - MARIO ALAN DIAZ LOPEZ

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Universidad de Guadalajara. 
Centro Universitario de Ciencias Exactas e 
Ingeniería. 
Ingeniería Mecánica Eléctrica. 
División de Ingenierías. 
Fuentes Alternas de Energía. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Actividad 13. Celdas Fotovoltaicas. 
 
 
Díaz López Mario Alan. 
 
Profesor: 
López Ornelas Armando. 
 
 
 
Evolución de la eficiencia de las células solares. 
Desde su aparición en 1954 (Chapin), con eficiencia probablemente en torno al 6%, hasta los 
años 70 los avances en la eficiencia de la célula solar fueron fruto de la investigación espacial. 
Se suponía entonces, por ejemplo: 
• Que la velocidad de recombinación en las áreas no cubiertas por metal de la célula era 
la que era y que no se podía hacer nada por influir sobre ella. 
• No se especulaba con que la calidad del material estuviese limitada por recombinación 
Auger. 
• Los fenómenos de estrechamiento del gap se suponían despreciables (son los fenómenos 
por los cuales el gap de un semiconductor depende del nivel de dopaje, en el sentido de 
que el gap se estrecha al aumentar el dopaje). 
• Las longitudes de difusión (distancia media que recorre un portador de carga antes de 
recombinarse) eran pequeñas. 
De los 70 a los 80 se produjeron importantes avances: 
• Se introdujo el llamado BSF (back surface field) que es un campo eléctrico en la parte 
trasera de la célula conseguido por medio de una capa muy dopada inmediatamente 
debajo del contacto trasero y que permitía reducir la recombinación en esa zona. 
• Se introdujo el texturizado (formación, mediante ataque químico, de pirámides en la 
superficie frontal) que permitía reducir las pérdidas por reflexión y atrapar la luz dentro 
de la célula. 
• Se introdujo el reflector posterior. 
• Se controló el perfil de dopaje de la capa de emisor de forma que se evitasen dopajes 
excesivos en superficie que impedían la colección de fotones muy energéticos (célula 
violeta). 
• Se comprendió que las longitudes de difusión no eran cortas sino largas. 
• Se comprobó que se podía disminuir la velocidad de recombinación superficial en las 
zonas abiertas mediante la pasivación con óxido. 
• Se valoró la influencia de los procesos de recombinación Auger y de estrechamiento del 
gap. 
 
Célula BCSC (Buried Contact Solar Cell Figura 6.38) o célula de contactos enterrados. Es la 
versión comercial de la célula PERL. Su eficiencia más elevada, a un sol, es del 20% (21,6% a 
11 soles). 
Célula BPC (Back Point Contact) o célula de contactos puntuales traseros. Es una célula 
desarrollada en la Universidad de Standford. Se trata de una célula de concentración (26,5% a 
140 soles) que realiza ambos contactos por la parte trasera de la célula, evitando así el 
oscurecimiento de la malla frontal de metalización. 
 
 
 
 
Células bifaciales de fósforo-boro. 
Se han conseguido células solares bifaciales con rendimientos del 19,1% por la cara posterior 
(dopada con fósforo) y 18,1% por la frontal (dopada con boro). 
Las células bifaciales pueden integrarse en módulos bifaciales, que aprovechan la luz reflejada 
en su cara posterior, aumentando de esa forma la conversión de energía. Además, son 
especialmente indicadas para su uso en concentradores estáticos, pues duplican el nivel de 
concentración alcanzable. 
Se ha conseguido fabricar células bifaciales con silicio Cz con rendimientos del 17,7% por la 
cara posterior y 15,2% por la cara frontal. 
Nanotecnología. 
Científicos de la universidad californiana de Berkeley trabajan en el desarrollo de células 
solares fotovoltaicos que combinan la nanotecnología con el plástico y que podrían abaratar 
considerablemente los actuales precios de fabricación. 
De momento, la eficiencia de sus células es muy pequeña, en torno al 1,7% (la de las células 
que actualmente se comercializan ronda el 15%-18%), pero tiene un enorme potencial de 
mejora. El desarrollo de estas nuevas células ha sido posible gracias a los avances en el campo 
de la nanotecnología, ya que están elaboradas con nanopartículas (del tamaño de una 
milmillonésima de metro) insertadas en un material plástico denominado P3HT, de 200 
nanómetros de espesor, recubierto con una capa de material conductor transparente, con la otra 
cara pintada con una fina lámina de aluminio que actúa como segundo electrodo. 
 
Células solares supereficientes. 
Las células solares actuales utilizan capas de materiales semiconductores para absorber los 
fotones de la radiación solar y convertirlos en energía eléctrica. Pero cada uno de estos 
materiales solo es capaz de utilizar los fotones hasta un cierto nivel, de manera que incluso las 
células más eficientes solo aprovechan el 30% de la energía solar. 
Tecnología de triple unión. 
Cada módulo fotovoltaico utiliza células de silicio de capa fina basadas en tecnología triple-
unión provenientes de United Solar Systems Corporation. Cada célula se compone de tres capas 
semiconductoras montadas una sobre otra. La célula inferior absorbe la luz roja, la central lo 
hace con la luz verde/amarilla y la célula superior absorbe la luz azul. 
Las células están encapsuladas en polímeros estables a rayos ultravioleta y resistentes en 
condiciones atmosféricas adversas. El polímero que conforma la cápsula incluye EVA (co-
polímero de etileno y acetato de vinilo) y el fluoropolímero TEFZEL4 de Dupont. 
 
 
 
 
 
Tipos de células fotovoltaicas más utilizadas Actualmente. 
 
 
Silicio monocristalino. 
La mayoría de las células actualmente en el mercado son monocristalinas. El proceso de 
fabricación es el siguiente: El silicio se purifica, se funde y se cristaliza en lingotes. Los lingotes 
son cortados en finas obleas para hacer células individuales. Las células monocristalinas tienen 
un color uniforme, generalmente azul o negro. 
 
 
 
Silicio policristalino. 
Las células policristalinas se fabrican de forma similar a las monocristalinas. La principal 
diferencia es que se utiliza un silicio de bajo coste. Generalmente redunda en una reducción en 
la eficiencia, pero los fabricantes defienden que el precio por kW es menor. 
La superficie de las células policristalinas tiene un patrón aleatorio de cristalización en lugar 
del color homogéneo de las células monocristalinas. 
 
 
 
Silicio ribbon. 
Las células fotovoltaicas tipo ribbon se realizan mediante el estiramiento de silicio fundido en 
lugar de la utilización de un lingote. El principio de funcionamiento es el mismo que en el caso 
de las células monocristalinas y policristalinas. 
El recubrimiento anti reflectivo utilizado en la mayoría de las células ribbon tiene una 
apariencia prismática multicolor. 
 
 
 
 
 
Micro silicio. 
Esta tecnología espera mejorar los rendimientos y costes del silicio amorfo. Se espera que 
pronto sea un competidor del resto de materiales thin film. La alta eficiencia del microsilicio y 
su baja degradación debido a la luz, hacen que las empresas industriales estén dedicando 
recursos a la investigación en esta tecnología. 
 
 
Gráfiac I-V de una célula FV. 
 
• La corriente de cortocircuito, Isc. Es la corriente que se obtiene de la célula cuando la 
tensión en sus bornes es de cero voltios; es la máxima corriente que se puede obtener de 
la célula. 
• La tensión de circuito abierto, Voc. Es la tensión para la que los procesos de 
recombinación igualan a los de generación y, por lo tanto, la corriente que se extrae de 
la célula es nula; constituye la máxima tensión que se puede extraer de una célula solar. 
 
 
En las células de Si de tipo medio es del orden de 0,6 V mientras que en las de GaAs es 
de 1 V. 
• Potencia máxima, Pmáx. La potencia, P, es el producto de la corriente por la tensión; 
tanto en cortocircuito como en circuito abierto la potencia es 0, por lo que habrá un valor 
entre 0 y VOC para el que la potencia será máxima y vale Pmáx % Vmáx . Imáx. 
• Factor de forma, Ff . Que se relaciona con la potencia máxima, la tensiónen circuito 
abierto y la corriente de cortocircuito por la Ecuación. Obsérvese que el máximo valor 
que puede tomar es FF % 1; así, cuanto más próximo sea este número a la unidad, mejor 
será la célula. 
• Eficiencia η. Expresado en %, es el parámetro por excelencia que define el 
funcionamiento de la célula solar. Representa la relación entre la potencia que 
obtenemos de la célula y la potencia de la luz que incide sobre ella.