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Principios de la Unión PN (página 2)




Enviado por Pablo Turmero



Partes: 1, 2

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Elementos de una celda solar de Si
Un contacto superior en la zona del material “tipo N”.
Dos semiconductores “tipo N” y “tipo P”.
Un contacto inferior en la zona del material “tipo P”.

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Características de las celdas solares
Características I-V
Voltaje de circuito abierto VOC
Corriente de cortocircuito ISC
Potencia Máxima (rectángulo)
Factor de llenado (fill factor) : cociente entre el rectángulo de máxima potencia y el rectángulo inscrito entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de corto circuito. Esta medida nos da una idea de la calidad de la celda

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Eficiencia celdas solares
Definición :Relación entre la potencia eléctrica generada por unidad de área (W/m2) y la irradiación solar incidente (W/m2) para obtenerla
Máximas eficiencias teóricas para las celdas solares para diversos materiales (J.J. Loferski 1963)

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Tipos de cristales
Silicio monocristalino:estructura cristalina uniforme
Silicio policristalino:estructuras ubicadas arbitrariamente. Estos “granos” hacen que la estructura no sea uniforme y se obtenga una eficiencia menor
Silicio amorfo:presenta todavía bajos niveles de eficiencias

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Tipos de cristales

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Obtención del silicio
El Silicio se obtiene a partir de elementos como arena o la cuarcita (cuarzo)
Se presentan en la naturaleza con altos grados de impurezas, por este motivo es necesario procesarlos
Obtenemos un Silicio con propiedades de semiconductor y así lograr celdas de alta eficiencia
el Silicio es el segundo elemento más abundante en la superficie terrestre, luego del oxígeno.

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Cuarcita
Cuarzo: SiO2

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Tecnología de fabricación
Producción de Silicio Policristalino
Proceso
Consiste en llevar los granos de cuarcita a temperaturas sumamente elevadas, agregando carbón para eliminar el oxigeno presente en la cuarcita y producir una sustancia gris metálica brillante de una pureza de aproximadamente 99%.
Para llegar a purezas de 99,9999%, la sustancia obtenida es depurada mediante un proceso similar al utilizado en las refinerías de petróleo, llamado destilación fraccionada

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Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Producción de Silicio Monocristalino
Proceso
Método de crecimiento de Czochralski (CZ)
El Silicio Policristalino se funde en un crisol a temperaturas cercanas a 1.410ºC,
Se intriduce una “semilla” de Silicio Monocristalino,
Se retira lentamente (10cm/hora) haciendo crecer un lingote cilíndrico de material Monocristalino

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Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Método Flotante (FZ)
Se coloca una “semilla” Monocristalina sobre una barra de Silicio Policristalino
Luego gracias a una bobina que induce un campo eléctrico, la barra se calienta y se funde con la semilla
Al desplazarse completamente por la bobina permite la obtención del lingote de Silicio Monocristalino
Este lingote es más puro que el producido con el método CZ

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Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Producción de obleas
Una vez obtenido el cilindro de Silicio Monocristalino, se procede a cortar las obleas o wafers con espesor aproximado de 300um
Para realizar esta operación se utiliza una sierra con multifilamentos, la cual al cortar las obleas produce partículas de Silicio
Se pierde casi un 20% de material

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Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Producción de obleas
Las obleas son dopadas con átomos de Fósforo en un horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para obtener la capa N
El substrato tipo P se logra, antes de obtener los lingotes, dopando el Silicio con átomos de Boro, para luego cortar las obleas que serán utilizadas como material tipo P en las celdas

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Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Película antirreflectante
Consiste en una tratamiento o texturizado que se le da al Silicio para disminuir el índice de reflexión
Estructura piramidal, que aumenta la absorción de la luz incidente, gracias a reflexión múltiple de ésta

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Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Contactos
Superior : Debe construirse con unidades lo bastante gruesas, para transportar la corriente eléctrica y lo bastante finas, para no obstaculizar el paso de la luz solar
Inferior : material conductor simple (aluminio)

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Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Celdas de Arseniuro de Galio (GaAs)
Eficiencias mayores a las de Silicio.
Algunos fabricantes, como Spectrolab, han construido celdas con multijunturas, superponiendo junturas específicas para un determinado espectro de la luz solar y así aprovechar totalmente el espectro

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Fabricación de módulos
Fragilidad
Condiciones atmosféricas
Deben ser empaquetadas en un módulo
Los módulos se utilizan para cargar baterías
Son fabricados para entregar un voltaje nominal de 12V, 24V y 36V
Este voltaje se alcanza conectado celdas en serie.

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Fabricación de módulos
La celda es colocada en un encapsulante (EVA)
Parte superior: vidrio templado
Parte inferior: substrato a base de resina
El modulo se trata a temperaturas de 175ºC y presión uniforme.
Se sella y se ajusta a un marco de aluminio ionizado.

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Fabricación de módulos. Caracterización
N celdas en serie o en paralelo, la potencia total de salida es
WP = N · (IP · VP)
IP = corriente peak de la celda
VP = voltaje peak de la celda

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Fabricación de módulos. Factores que afectan al rendimiento
Radiación solar : bajos niveles / altos niveles de voltaje de salida
Concentrador estático : Encapsulado que aumenta el rendimiento.
Temperatura de operación : Un aumento de esta hace que la corriente aumente pero el voltaje disminuya
Sombra : Disipa la energía
Una celda sombreada afecta al módulo completo.
Solución : diodos “bypass”

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Fabricación de módulos. Concentradores estáticos
Prismático simple SPC (Simple Prism Concentrador)
Ganancia = 1,75.
Célula solar bifacial vertical
Ganancia = 3,5
Poca utilidad práctica
Célula solar bifacial horizontal
Ganancia = 3,8
Concentrador Estático de Material Transparente Reflexivo
Ganancia = 15%

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