Capítulo 3 - La célula Fotovoltaica

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Fundación Energizar
Curso de Energía Solar Fotovoltaica
Capítulo 3
La célula 
fotovoltaica
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 La célula fotovoltaica
 Semiconductores
 Efecto fotovoltaico
 Tipo de células fotovoltaicas
 Respuesta espectral
 Eficiencia de conversión
 Parámetros eléctricos
 Efecto de la temperatura
 Forma geométrica
La célula fotovoltaica
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 Historia
 El primer dispositivo fotovoltaico fue demostrado 
por el físico francés Edmond Becquerel, en el año 
de 1839. En sus experimentos encontró que 
cuando ciertos materiales eran expuestos a la luz, 
producían una diferencia de potencial y al 
conectarlos con una carga externa se generaba 
una corriente eléctrica.
 A este fenómeno se le denominó el efecto 
fotovoltaico, sin embargo, el entendimiento, 
dominio y uso de dicho fenómeno, tuvo que esperar 
hasta que se dieran otros avances científicos y 
tecnológicos relacionados con la física cuántica y 
los semiconductores, durante el siglo XX.
 La primera célula fotovoltaica moderna se fabricó 
en 1941, con una eficiencia de conversión del 1%.
 La empresa americana Western Electric fue la 
primera en comercializar células FV en 1955.
 Las primeras aplicaciones prácticas de estos 
dispositivos se dieron en satélites artificiales, 
siendo una solución para la provisión de energía 
eléctrica.
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 La célula o celda fotovoltaica
 Es un dispositivo electrónico que permite 
transformar la energía luminosa (fotones) en 
energía eléctrica (flujo de electrones libres) 
mediante el efecto fotovoltaico.
 Son fabricadas con materiales semiconductores 
como el Silicio (Si) o el Germanio (Ge) que al ser 
expuestos a la luz solar generan un voltaje entre 
sus contactos que dependen del material utilizado 
en su fabricación.
 Dependiendo del material y su forma de 
construcción, su eficiencia varía entre 6% y 30%. 
 La vida útil de estos dispositivos ronda los 25 
años, período a partir del cual la potencia 
entregada disminuye.
 Dada que la tensión y la corriente de estas celdas 
suele ser pequeña, éstas se conectan entre sí en 
serie para elevar la tensión de trabajo 
(usualmente 12 V ó 24 V) y en paralelo para 
aumentar la corriente de salida.
 Este agrupamiento de células fotovoltaicas se 
conoce como panel solar.
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 La célula fotovoltaica
 Semiconductores
 Efecto fotovoltaico
 Tipo de células fotovoltaicas
 Respuesta espectral
 Eficiencia de conversión
 Parámetros eléctricos
 Efecto de la temperatura
 Forma geométrica
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 Semiconductores
 Los semiconductores son elementos que tienen 
una conductividad eléctrica inferior a la de un 
conductor metálico pero superior a la de un buen 
aislante. 
 Usualmente se utilizan elementos como el 
germanio (Ge), arseniuro de galio (GaAs) y el 
silicio (Si) para la fabricación de semiconductores.
 El semiconductor más utilizado es el silicio (Si),
que es el elemento más abundante en la 
naturaleza, después del oxígeno, sin embargo, la 
refinación del silicio es costosa y altamente 
demandante de energía, de hecho, durante el 
proceso de cortado se desperdicia mucho material, 
que para ser reutilizado requiere reprocesamiento 
de alto costo. 
 Hoy en día las celdas fotovoltaicas de silicio son 
las que dominan el mercado, contabilizando 
alrededor del 90% de los módulos que se fabrican 
en el mundo.
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 Juntura PN
 El material semiconductor en si no tiene mayores 
aplicaciones.
 Pero si a un semiconductor se le incorporar 
ciertos átomos de otras substancias, la 
conductividad de estos materiales varía 
drásticamente. 
 A este proceso se lo conoce como dopaje. 
 Si sobre un mismo trozo de semiconductor se dopa 
una zona con material donante y otro con material 
aceptador, creando dos zonas semiconductoras 
tipo N y tipo P, se establece así una zona de 
contacto o unión entre ambos, llamada juntura PN.
 Esta juntura genera un campo eléctrico dentro 
del semiconductor logrando un equilibrio en 
dónde no hay movimientos de carga dentro del 
material.
 Esta unión entre dos semiconductores dopados 
forma las bases de la electrónica de estado 
sólido.
 La célula fotovoltaica está formada básicamente 
por un semiconductor con una juntura PN.
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 Efecto fotovoltaico
 El efecto fotovoltaico es la base del proceso 
mediante el cual una célula fotovoltaica convierte 
la luz solar en electricidad. 
 La interacción entre las ondas electromagnéticas
y la materia se lleva a cabo mediante partículas 
elementales llamadas fotones. 
 Los fotones de la radiación solar poseen 
diferentes energías, correspondientes a las 
diferentes longitudes de onda (frecuencias) del 
espectro solar.
 Cuando la luz solar (fotones) incide sobre un 
semiconductor pueden pasar tres cosas:
 El fotón atraviesa el silicio y sigue su camino 
como si fuese transparente (IF) (Si la energía 
del fotón no es suficiente). 
 El fotón es fuertemente absorbido y genera 
calor (UV) (Si la energía del fotón es demasiada).
 El fotón es absorbido eficientemente por el 
semiconductor (Espectro visible) (Si la energía 
del fotón es óptima).
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 Efecto fotovoltaico
 Únicamente los fotones absorbidos generan 
electricidad. Cuando un fotón es absorbido, la 
energía del fotón se transfiere a un electrón de un 
átomo de la célula fotovoltaica. 
 Con esta nueva energía, el electrón es capaz de 
escapar de su posición normal asociada con un 
átomo y ser arrastrado por el campo eléctrico 
formado por la juntura PN para generar una 
diferencia de potencial dentro de la célula 
fotovoltaica.
 Si las terminales de la célula fotovoltaica son 
conectadas a una carga eléctrica, circulará una 
corriente eléctrica en el circuito formado por la 
celda, los cables de conexión y la carga externa.
 Dependiendo del material, sólo una parte del 
espectro luminoso puede llevar a cabo la acción 
descripta.
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 La célula fotovoltaica
 Semiconductores
 Efecto fotovoltaico
 Tipo de células fotovoltaicas
 Respuesta espectral
 Eficiencia de conversión
 Parámetros eléctricos
 Efecto de la temperatura
 Forma geométrica
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 Silicio monocristalino (cSi)
 Presentan una estructura completamente 
ordenada, cuyo comportamiento uniforme lo 
convierte en óptimo semiconductor.
 Fácilmente reconocible por su color azulado 
oscuro y metálico.
 Fueron las primeras en ser manufacturadas, ya que 
se podían emplear las mismas técnicas usadas 
previamente en la fabricación de diodos y 
transistores.
 El proceso de fabricación requiere un alto 
consumo de energía eléctrica, lo que eleva el 
costo de estas células. 
 Poseen los más altos valores de eficiencia:
 Ensayo celda individual en laboratorio: 24,7%,
 Como panel solar: 13% - 18%. 
 La superficie necesaria como panel solar para 
alcanzar 1 kWp se encuentra entre los 7m2 y los 9 
m2.
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 Silicio policristalino (pSi)
 Presentan una estructura ordenada por regiones 
separadas, en la que los enlaces irregulares de las 
fronteras cristalinas disminuyen el rendimiento.
 Son reconocibles a simple vista, ya que reflejan la 
luz en forma no uniforme, pudiéndose observar 
las imperfecciones en el cristal. Tienen, asimismo, 
diferentes tonos de azules.
 Se obtiene fundiendo silicio de grado industrial, el 
que se vierte en moldes rectangulares, de sección 
cuadrada.
 El costo del material y el procesado se simplifican,por lo que son mas económicas que las 
monocristalinas, pero poseen una eficiencia menor:
 Ensayo celda individual en laboratorio: 19,8%,
 Como panel solar: 11% - 15%. 
 Frente a altas temperaturas, son más eficientes 
que monocristalinas ya que el color azul de las 
celdas absorbe menos calor que el color oscuro 
de las monocristalinas.
 La superficie necesaria como panel solar para 
alcanzar 1 kWp se encuentra entre los 8 m2 y los 
11 m2.
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 Silicio amorfo (aSi)
 Poseen un alto grado de desorden en la 
estructura de los átomos, con lo cual contiene un 
gran número de defectos, disminuyendo la 
eficiencia de conversión. 
 Para reducir este efecto, el espesor del material 
activo en estas células es diez veces menor que 
el de una célula de cSi.
 Pueden ser ofrecidas como paneles flexibles o 
rígidos.
 Tienen un proceso de fabricación más simple y por 
tanto un coste muy inferior.
 Poseen los valores más bajos de eficiencia:
 Ensayo celda individual en laboratorio: 13%.
 Como panel solar: 5% - 8%. 
 La superficie necesaria como panel solar para 
alcanzar 1 kWp se encuentra entre los 16 m2 y los 
20 m2.
 Este tipo de celdas conforman las celdas llamadas 
de capa delgada (thin film cells).
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 Teluro de Cadmio (CdTe)
 Es otro material policristalino.
 Posee un elevado coeficiente de absorción. 
 Posee una elevada resistividad eléctrica.
 Poseen los más altos valores de eficiencia:
 Ensayo celda individual en laboratorio: 17%.
 Como panel solar: 9% - 10%. 
 Este tipo de celdas conforman las celdas llamadas de capa 
delgada (thin film cells).
 Multi- Junturas
 Los fabricantes aumentan la eficiencia adicionando junturas, 
las que responden a diferentes frecuencias del espectro 
luminoso. 
 Suelen apilarse tres junturas: La primera responde a la zona del 
azul, la segunda al verde y la tercera al rojo.
 Eficiencia en laboratorio de hasta 46%.
 Mayormente en fase de investigación, se producen sólo para 
aplicaciones especiales (exploración espacial, etc.).
 Arseniuro de Galio (GaAs)
 Es un componente semiconductor mezcla de dos elementos. 
 Tiene la ventaja sobre el silicio, que trabaja mejor a altas 
temperaturas.
 Eficiencia en laboratorio de hasta 28,8%.
 Se producen sólo para aplicaciones especiales (satélites, etc.).
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 La célula fotovoltaica
 Semiconductores
 Efecto fotovoltaico
 Tipo de células fotovoltaicas
 Respuesta espectral
 Eficiencia de conversión
 Parámetros eléctricos
 Efecto de la temperatura
 Forma geométrica
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 Respuesta espectral
 La respuesta espectral de una célula fotovoltaica 
es una medida de la respuesta (medida en forma 
de corriente generada) del dispositivo expuesto a 
la luz solar. 
 El rendimiento de una célula fotovoltaica depende 
fuertemente del contenido espectral de la radiación 
incidente, ya que las mismas responden de 
manera distinta a las frecuencias (longitud de 
onda) de la radiación incidente.
 Esta respuesta está dada por los materiales con 
las que están construidas 
 Una célula fotovoltaica es tanto mejor cuánto 
mejor respuesta espectral posee, esto es, el que 
mejor adapte su curva de respuesta espectral al 
espectro de la radiación solar.
Respuesta espectral
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 La célula fotovoltaica
 Semiconductores
 Efecto fotovoltaico
 Tipo de células fotovoltaicas
 Respuesta espectral
 Eficiencia de conversión
 Parámetros eléctricos
 Efecto de la temperatura
 Forma geométrica
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 Eficiencia
 La eficiencia es el parámetro más utilizado 
para comparar el rendimiento células 
fotovoltaicas.
 Es la relación entre la energía eléctrica 
generada y la energía luminosa utilizada para 
obtenerla:
 Dónde η es el valor porcentual de la eficiencia.
 La eficiencia depende del espectro, la 
irradiancia de la luz solar incidente y la 
temperatura de la célula.
 Las condiciones estándares de prueba (STC) 
en las cuales se mide la eficiencia de las 
células fotovoltaicas en laboratorio son:
 Irradiancia de 1.000 W/m2.
 Espectro equivalente al de una masa de aire de 
MA = 1,5.
 Temperatura de trabajo de 25 °C.
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 Pérdidas de energía
 Existen dos tipos de pérdidas, las que ocurren 
dentro de la célula fotovoltaica y las que 
ocurren fuera de la misma.
 La suma de todas estas pérdidas disminuye el 
rendimiento final de la célula.
 Pérdidas fuera de la célula 
 Reflectancia de la superficie colectora
 La superficie colectora de una célula de silicio 
monocristalino actúa como un espejo, reflejando 
hasta el 30% de la luz incidente. 
 Para disminuir la reflectancia, la superficie de 
colección recibe una capa antireflectiva (porosa).
 Este efecto se disminuye un 10%. 
 Una segunda capa baja la reflectancia a un 4%, pero 
incrementa el costo. 
 La capa antireflectiva se extiende a todo tipo de 
células.
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 Pérdidas dentro de la célula
 Pérdidas por los contactos eléctricos
 Los contactos metálicos tapan parte de la 
superficie de captación.
 Las pérdidas por éste concepto pueden evaluarse, 
como media, en un 8%, ya que dependen del diseño. 
 Energía de los fotones incidentes
 Fotones sin energía suficiente (IF) (No logran 
liberar electrones para conducir).
 Fotones incidentes con demasiada energía (UV) 
(son mayormente reflejados).
 50% de la energía incidente se pierde por éstos 
motivos. 
 Pérdidas por recombinación
 El proceso de recombinación depende de los 
defectos de la estructura cristalina del 
semiconductor.
 Cuanto más puro sea (silicio monocristalino), éstas 
pérdidas serán menores (15%). 
 Pérdidas por resistencia serie
 Son debidas al calentamiento que se produce al 
circular la corriente eléctrica a través del silicio 
(efecto Joule). 
 Representan sobre el conjunto un 2% - 3%. 
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 La célula fotovoltaica
 Semiconductores
 Efecto fotovoltaico
 Tipo de células fotovoltaicas
 Respuesta espectral
 Eficiencia de conversión
 Parámetros eléctricos
 Efecto de la temperatura
 Forma geométrica
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 Voltaje
 Como las cargas son impulsadas por un campo eléctrico 
fijo, el voltaje es continuo. 
 Existe un lado positivo (lado P) y otro negativo (lado N).
 Corriente
 Dependerá del valor de la carga, la irradiación solar, la 
superficie de la celda y el valor de su resistencia interna.
 Potencia
 En un instante determinado, la potencia será el producto
de los valores instantáneos del voltaje y la corriente de 
salida.
 Curva I - V
 La célula fotovoltaica posee una curva característica que 
asocia los valores de V e I para diferentes cargas externas.
 Al conectar la carga, la respuesta de la célula siempre será 
un punto dentro de su curva característica.
 Las condiciones estándares de prueba (STC) en 
laboratorio son:
 Irradiancia de 1.000 W/m2.
 Espectro equivalente al de una masa de aire de MA = 1,5.
 Temperatura de trabajo de 25 °C.
Parámetros eléctricos
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 Voltaje a circuito abierto (VCA o VOC)
 Es el voltaje máximo de la célula y ocurre cuando 
no está conectada a ninguna carga.
 El valor depende del material semiconductor.
 Para una célula de silicio monocristalino, este 
valor ronda los 0,6 V.
 Corriente de cortocircuito (ICC o ISC)
 Es la máxima corriente de la celda y ocurre 
cuando se realiza un cortocircuito entre sus 
terminales.
 Esto no daña a la celdafotovoltaica.
 Para una célula de silicio monocristalino de 
100 cm2, ronda los 3 A.
 Potencia pico (WP o Pm)
 Cuando se conecta a una carga, la tensión y la 
corriente varían. Existirán dos de ellos (Vp y Ip) 
para los cuales la potencia será máxima.
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 La célula fotovoltaica
 Semiconductores
 Efecto fotovoltaico
 Tipo de células fotovoltaicas
 Respuesta espectral
 Eficiencia de conversión
 Parámetros eléctricos
 Efecto de la temperatura
 Forma geométrica
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 Al aumentar la temperatura
 Se producirá una disminución de la tensión de 
circuito abierto (VCA) debido a una disminución 
del campo eléctrico de la juntura PN.
 Esto se debe a que los electrones unidos a los 
átomos de la red cristalina comienzan a vibrar 
hasta romper los enlaces que los unen a los 
átomos generando una corriente interna que se 
estabilizará cuando el campo eléctrico de la 
juntura disminuya.
 Al mismo tiempo, un mayor porcentaje de la luz 
incidente tendrá energía suficiente para romper 
los enlaces debido a que la temperatura aporta 
energía a los electrones, por lo que se producirá 
una fotocorriente más grande, aumentando la 
corriente de corto circuito (ICC).
 El aumento de la corriente para un aumento de 
temperatura dado es proporcionalmente menor 
que la disminución de la tensión, por lo que la 
eficiencia de la celda se reduce al elevar las 
temperaturas.
Efecto de la temperatura
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 La célula fotovoltaica
 Semiconductores
 Efecto fotovoltaico
 Tipo de células fotovoltaicas
 Respuesta espectral
 Eficiencia de conversión
 Parámetros eléctricos
 Efecto de la temperatura
 Forma geométrica
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 Forma geométrica
 El método de fabricación determina, en gran 
parte, la forma geométrica de la célula 
fotovoltaica.
 Las primeras versiones de silicio monocristalino 
eran redondas debido a que el cristal puro tenía 
una sección circular.
 Actualmente tienen forma cuadrada, o casi-
cuadrada, donde las esquinas tienen vértices a 
45°.
 Éstas permiten un mayor compactado de las 
mismas dentro del panel fotovoltaico, 
disminuyendo la superficie que se necesita para 
colocar un determinado número de células.
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La célula fotovoltaica