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Curso spes3 Curso spes3 Presentation Transcript

  • Dr. María QuintanaMaria Quintana
  •  Tipo de celdas de Silicio Tecnología del silicio Celdas Primera generación Segunda generación Tercera generación Maria Quintana
  •  Monocristalinas:  estructura atómica muy ordenada.  rendimiento entre el 15% y el 18%.  difícil construcción, alto precio. Policristalinas:  estructura atómica no tan ordenada como en el monocristalino.  rendimiento entre el 12% y el 15% . Amorfas:  estructura atómica bastante desordenada.  rendimiento es inferior al 10%.  fabricación sencilla, más barato. Maria Quintana
  •  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”. Maria Quintana
  •  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 Maria Quintana
  • Maria Quintana
  •  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) Maria Quintana
  •  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 Maria Quintana
  •  El Silicio se obtiene a partir de elementos como arena o 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. Maria Quintana
  • Producción de Silicio Policristalino Proceso  Consiste en llevar los granos de cuarzita a temperaturas sumamente elevadas, agregando carbón para eliminar el oxigeno presente en la cuarzita 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 Maria Quintana
  • 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 Maria Quintana
  •  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 Maria Quintana
  • 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 Maria Quintana
  • 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 Maria Quintana
  • 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 Maria Quintana
  • 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) Maria Quintana
  •  Fragilidad Condiciones atmosféricas Deben ser empaquetadas en un móduloo Los módulos se utilizan para cargar bateríaso Son fabricados para entregar un voltaje nominal de 12Vdc.o Este voltaje se alcanza conectado 36 celdas en serie. Maria Quintana
  • 1) La celda es colocada en un encapsulante2) Parte superior: vidrio templado3) Parte inferior: substrato a base de resina4) El modulo se trata a temperaturas de 175ºC y presión uniforme.5) Se sella y se ajusta a un marco de aluminio ionizado. http://www.youtube.com/watch?v=fZ1SC- vUe_I http://www.youtube.com/watch?v=h6TWj SfPvEI&feature=related Maria Quintana
  •  N celdas en serie o en paralelo, la potencia total de salida es WP = N · (IP · VP) IP = corriente peak de la celda Característica VP = voltaje peak de la celda Silicio Ip [mA/cm ] 28 VP [V] 0,5 WP [mW/cm ] 14 VOC [V] 0,6 Maria Quintana
  •  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” Maria Quintana
  •  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% Maria Quintana
  • Maria Quintana
  • Maria Quintana
  •  Entre 100 y 500 veces más sensible a la luz del sol. Obtención: haciendo brillar brevemente un láser sobre una lámina de silicio a la que han agregado hexafluoruro de azufre. Paneles solares de gran eficiencia. Maria Quintana
  • Las celdas solares responden de manera diferente a las diferentes longitudes de ondade la radiación recibida. El silicio cristalino utiliza la parte visible del espectro más unaparte del infrarrojo  La parte baja del espectro no tiene suficiente energía para “producir” corriente en el semiconductor  La parte del superior del espectro, el ultravioleta, tiene exceso de energía para “producir” corriente  En ambos casos la radiación no utilizada para producir electricidad, se convierte en calor. Maria Quintana
  • Maria Quintana
  • Maria Quintana
  • Son materiales para la producción de células solares, que obtienen un rendimiento relativamente alto, con un ahorro muy importante de material respecto a las de silicio.Usan aproximadamente un 1% de material semiconductor en comparación con las obleas de silicio.Es posible depositar las sustancias semiconductoras sobre muchos tipos de sustratos: cerámicos, vidrio, materiales flexibles.Hay un gran número de grupos de investigación, en todo el mundo, trabajando en estas tecnologíasSe han desarrollado paneles para la industria espacial (GaAs) con rendimientos próximos al 30% Maria Quintana
  • Objetivos actuales:  Mejora de los aspectos relacionados con la fabricación: costes de producción, procesos industriales de fabricación, inversión en investigación.  Mejora del rendimiento de los paneles comerciales. Objetivo del 10% para los próximos años, hasta llegar al 15% a medio plazo  Asegurar la fiabilidad de los módulos: estabilidad de los materiales al paso del tiempo y del “package Maria Quintana
  • Principales tecnologías actualmente en desarrollo: Silicio amorfo (a-Si) Diselenio de Cobre e Indio (CIS) Teluro de Cadmio (CdTe) Maria Quintana
  •  Primer material de la tecnología de película delgada que tiene productos comerciales. Inicialmente se utilizo en aparatos de consumo, como las calculadoras. Se está utilizando en aplicaciones arquitectónicas especiales: módulos semitransparentes para ventanas, por ejemplo. Maria Quintana
  • Maria Quintana
  • Maria Quintana
  •  Mejorar la estabilidad y el rendimiento de los módulos actuales. Hay un fenómeno de perdida de rendimiento la primera vez que se exponen a la luz, llamad efecto Staebler-Wronski. Reducir los costes de fabricación de los paneles comerciales, mejorando los procesos productivos, incluyendo los de depósitos de material. Mejorar el diseño de los módulos haciéndolos más resistentes a las condiciones atmosféricas Desarrollo de nuevos diseños para su integración arquitectónica. Maria Quintana
  •  Después de dos décadas de investigación y desarrollo se están empezando a introducir en el mercado los primeros módulos, con rendimientos alrededor del 11% (Siemens Solar Industries) Se ha alcanzado un rendimiento del 19% en los laboratorios NREL Se está investigando en diseños que sean capaces de utilizar la zona del espectro solar de mayor energía. Maria Quintana
  •  Es un compuesto atractivo debido a sus altos coeficientes de absorción y sus capacidades eléctricas y ópticas. Su producción es más costosa que la del silicio amorfo. Hay diferentes familias de dispositivos donde se sustituye una parte del Indio por otros elementos de las bandas I, III y IV, principalmente el Galio (CIGS) (aumento del bandgap) (el 70% de Indio se utiliza en la construcción de monitores y TV planos). Se pueden llegar a obtener rendimientos próximos al 30% utilizando lentes de concentración Maria Quintana
  • Maria Quintana
  •  Búsqueda de mayores rendimientos investigando las propiedades físico químicas de las uniones semiconductoras y el uso de la parte del espectro de mayor energía. Disminuciones de los costes de fabricación, en especial mejorando los rendimientos de producción (yield process). Reducción de la complejidad de fabricación Maria Quintana
  •  Es un excelente semiconductor para el uso en células solares. Su bandgap es de 1.4eV, lo que es se adapta muy bien al espectro solar. Su estructura incluye un película muy delgada de sulfuro de cadmio, que permite pasar una gran cantidad de luz solar a través de ella. Su depósito sobre un sustrato es sencilla y permite su producción a gran escala. Hay cierta controversia sobre la toxicidad del cadmio Maria Quintana
  • Maria Quintana
  •  http://www.youtube.com/watch?v=ogSb2wUi2d4&feature=player_emb edded#! Maria Quintana
  • Maria Quintana
  •  La “primera generación”, basada en uniones p-n de silicio está limitada por el uso del silicio (70% en la industria microelectrónica) y en rendimientos <20% (sin concentración). La “segunda generación” en un futuro próximo tendrá costes inferiores a los del silicio (costes de materiales), sin la limitación del tamaño de las obleas de silicio. Rendimientos igual o ligeramente superiores a los de “1ª generación”. La “tercera generación” deberá proveer mayores rendimientos a costes más bajos: 50% superior al actual y costes de 0.4$/W instalado. Maria Quintana
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  • Los dos mecanismos más importantes de pérdida de potencia en celdas de una sola banda son: 1. Incapacidad de absorber fotones con energía menor que la de la banda (bandgap) 2. La termalización (exceso de calor) de la energía del fotón que excede la banda de energía (bandgap) Maria Quintana
  • Para resolver estos problemas hay tres familias de soluciones: 1. Incrementar el número de bandas (bandgap): “sanwich” de celdas, bandas intermedias, spectral spliting 2. Capturar portadores (pares electrón-hueco) antes de la termalización (hot carriers) 3. Múltiples portadores (electrón-hueco) obtenidos por fotones de alta energía o portadores únicos con múltiples fotones de baja energía Maria Quintana
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  • White paint ElectrolyteTiO2 Iodine sol.Dye : ContactsRu complexAnode: Load, displayGraphite,Pt Aun con baja eficiencia Maria Quintana
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  • TiO2 ~ P25 ( 25 nm) ZnO rods Maria Quintana
  • Maria Quintana
  • Grafito o metales nobles Maria Quintana
  • -Solvente usado: nitrilos orgánicos, porejemplo acetonitrilo-Cupla redox ( I-/I-3) disuelta-Aditivos Maria Quintana
  • Maria Quintana
  • Dra. María QuintanaProfesora de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacionalde Ingeniería. Especialista en síntesis de nanomateriales paraaplicaciones fotovoltaicasLaboratorio de Películas Delgadas.Oficina: R2 111CCorreos electrónicos:Mquintana@uni.edu.peQuintana@kth.seMaria.quintana@fki.uu.se Maria Quintana