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Eficiencia solar

Eficiencia solar

Definimos la eficiencia de las células fotovoltaicas a la proporción de energía solar que se convierte en energía eléctrica a través de la energía fotovoltaica.

La eficiencia de las células fotovoltaicas es uno de los elementos que determinan la producción de una instalación de energía solar fotovoltaica. Los otros factores que determinan el rendimiento de una planta solar son la latitud y el clima.

El valor de eficiencia de conversión de una célula fotovoltaica depende de varios factores. Cando nos referimos a la eficiencia de conversión nos referimos implícitamente a la eficiencia termodinámica, a la eficiencia de separación del portador de carga, a la eficiencia de reflectancia y a los valores de eficiencia de conducción. Estos parámetros son difíciles de medir directamente, de modo que en su lugar se miden otros parámetros, incluida la eficiencia cuántica, la relación de voltaje de circuito abierto y el factor de relleno.

Métodos técnicos de mejora de la eficiencia solar

El enfriamiento radiativo

Por cada grado centígrado que se aumenta la temperatura de la célula solar fotovoltaica la eficiencia solar disminuye alrededor del 0.45%. Para evitar la disminución de la eficiencia solar debido al calentamiento, se puede aplicar una capa de cristal de sílice visiblemente transparente a un panel solar fotovoltaico. La capa cristal de sílice actúa como un cuerpo negro térmico que emite calor en forma de radiación infrarroja al espacio. Con esta actuación se puede conseguir bajar la temperatura de la celda fotovoltaica hasta 13 grados centígrados.

Promoviendo la dispersión de la luz en el espectro visible

Al revestir la superficie de recepción de luz de la celda con postes metálicos de tamaño nanométrico, la eficiencia de la celda puede aumentar sustancialmente, ya que la radiación solar se refleja en estos postes formando un ángulo oblicuo a la celda. Este cambio de dirección provoca un aumento de la longitud del recorrido que toma la luz a través de la célula solar. Consecuentemente, el aumento del recorrido aumenta el número de fotones absorbidos por la célula, y también la cantidad de corriente continua generada.

Los principales materiales utilizados para los nano-espárragos son plata, oro y aluminio, por nombrar algunos. El aluminio es capaz de aumentar la eficiencia de la celda hasta en un 22% (en condiciones de laboratorio). El aluminio, por otro lado, absorbe solo la radiación ultravioleta, y refleja tanto la luz visible como la infrarroja, por lo que la pérdida de energía se minimiza en ese frente.

Sin embargo, el oro y la plata no son muy eficientes, ya que absorben gran parte de la luz en el espectro visible, que contiene la mayor parte de la energía presente en la luz solar, reduciendo la cantidad de radiación solar que llega a la fotocélula.

Elegir el conductor transparente óptimo

El lado iluminado de algunos tipos de células solares, las películas delgadas, tienen una película conductora transparente que permite que la luz entre en el material activo y recoja los portadores de carga generados.

En términos generales, para este propósito se utilizan películas con alta transmitancia y alta conductancia eléctrica, como el óxido de indio y estaño, los polímeros conductores o las redes de nanocables conductores. Existe una compensación entre la alta transmitancia y la conductancia eléctrica, por lo que debe elegirse la densidad óptima de los nanocables conductores o la estructura de la red conductora para lograr una alta eficiencia.

Revestimientos y texturas antirreflectantes

Los recubrimientos antirreflectantes podrían resultar en una interferencia más destructiva de las ondas de luz incidentes del sol. Por lo tanto, toda la luz solar sería transmitida al sistema fotovoltaico.

Además, otra técnica utilizada para reducir la reflexión es la texturización, en la cual la superficie de una célula solar se altera para que la luz reflejada golpee nuevamente la superficie. Estas superficies se pueden crear mediante grabado o mediante litografía. Agregar una superficie plana posterior además de texturizar la superficie frontal ayuda a atrapar la luz dentro de la celda para una mayor trayectoria óptica.

Materiales de película delgada

En términos de bajos costos y adaptabilidad a las estructuras y estructuras existentes en la tecnología, los materiales de película delgada son una muy buena opción para para las células fotovoltaicas.

Sin embargo, como los materiales son tan delgados, carecen de la absorción óptica que tienen las células solares de material a granel. Si bien los intentos de corregir este problema se han intentado, lo más importante es el enfoque en la recombinación de la superficie de la película delgada.

Dado que este es el proceso de recombinación dominante de las células solares de película delgada a nanoescala, es crucial para su eficiencia solar. Agregar una capa delgada pasivante de dióxido de silicio podría reducir la recombinación.

Pasivación de la superficie posterior

Si bien se han realizado muchas mejoras en la parte frontal de las células fotovoltaicas para la producción en masa de energía solar, la superficie posterior de aluminio frena las mejoras en la eficiencia.

La eficiencia de muchas células solares se ha beneficiado al crear las llamadas células pasivas y emisoras pasivas. La deposición química de una pila de capas de pasivación dieléctrica de la superficie posterior que también está hecha de una delgada película de sílice o de óxido de aluminio cubierta con una película de nitruro de silicio ayuda a mejorar la eficiencia en las células solares de silicio en más del 1%.

Esto ayuda a aumentar la eficiencia solar de la celda para el material de oblea de Cz-Si comercial al 20.2% y la eficiencia de la celda para casi mono-Si a un récord de 19.9%.

Factores que afectan a la eficiencia de conversión de energía

Para analizar los factores que influyen en la eficiencia solar nos podemos referencias en energética nos los factores que afectan la eficiencia de conversión de energía que William Shockley y Hans Queisser expusieron en un artículo histórico en 1961.

Factor de relleno

Otro término definitorio en el comportamiento general de una célula solar es el factor de relleno. Este factor es una medida de la calidad de una célula solar. Esta es la potencia disponible en el punto de máxima potencia dividida por la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito.

El factor de relleno se ve directamente afectado por los valores de la serie de la celda, las resistencias en derivación y las pérdidas de diodos. El aumento de la resistencia de la derivación y la disminución de la resistencia en serie conducen a un factor de relleno más alto, lo que resulta en una mayor eficiencia y acerca la potencia de salida de la celda a su máximo teórico.

Los factores de llenado típicos van desde 50% a 82%. El factor de llenado para una celda fotovoltaica de silicio normal es del 80%.

Límite de eficiencia termodinámica y límite de pila infinita

Si uno tiene una fuente de calor a la temperatura Ts y un disipador de calor más frío a la temperatura Tc, el valor teóricamente máximo posible para la relación de trabajo (o potencia eléctrica) obtenida al calor suministrado es 1- Tc / Ts, dado por un motor térmico de Carnot.

Si tomamos 6000 kelvin para la temperatura del sol y 300 grados kelvin para las condiciones ambientales en la tierra, esto llega al 95%. En 1981, Alexis de Vos y Herman Pauwels mostraron que esto se puede lograr con una pila de un número infinito de celdas con intervalos de banda que van desde el infinito (las primeras celdas encontradas por los fotones entrantes) hasta cero, con un voltaje en cada celda muy cercano al voltaje de circuito abierto, igual a 95% del intervalo de banda de esa celda, y con 6000 kelvin de radiación de cuerpo negro proveniente de todas las direcciones.

Punto de máxima potencia

Una célula solar puede operar en un amplio rango de voltajes (V) e intensidades de corriente (I). Al aumentar la carga resistiva en una celda irradiada continuamente desde cero (un cortocircuito) hasta un valor muy alto (un circuito abierto), se puede determinar el punto de máxima potencia, el punto que maximiza V × I; es decir, la carga para la cual la celda puede entregar la máxima potencia eléctrica a ese nivel de irradiación.

El punto de máxima potencia de una fotovoltaica varía con la iluminación incidente. Por ejemplo, la acumulación de polvo en los paneles fotovoltaicos reduce el punto de máxima potencia. Para sistemas lo suficientemente grandes como para justificar el gasto adicional, un rastreador de punto de máxima potencia rastrea la potencia instantánea midiendo continuamente el voltaje y la corriente (y, por lo tanto, la transferencia de potencia), y utiliza esta información para ajustar dinámicamente la carga de manera que la potencia máxima está siempre transferido, independientemente de la variación en la iluminación.

Eficacia máxima

Sin embargo, los sistemas fotovoltaicos normales solo tienen una unión pn y, por lo tanto, están sujetos a un límite de eficiencia inferior, denominado "eficiencia máxima" por Shockley y Queisser. Los fotones con una energía por debajo del intervalo de banda del material absorbente no pueden generar un par de orificios de electrones, por lo que su energía no se convierte en salida útil, y solo genera calor si se absorbe. Para fotones con una energía por encima de la banda de energía, solo una fracción de la energía por encima de la banda se puede convertir en salida útil. Cuando se absorbe un fotón de mayor energía, el exceso de energía sobre la banda se convierte en energía cinética de la combinación de portadores. El exceso de energía cinética se convierte en calor a través del fonón. Interacciones como la energía cinética de los portadores disminuye a la velocidad de equilibrio. Las células tradicionales de unión única con una banda óptima para el espectro solar tienen una eficiencia teórica máxima del 33,16%, el límite de Shockley-Queisser.

Las células solares con materiales absorbentes de separación de banda múltiple mejoran la eficiencia al dividir el espectro solar en depósitos más pequeños, donde el límite de eficiencia termodinámica es mayor para cada recipiente.

Eficacia cuántica

Cuando un fotón es absorbido por una célula solar fotovoltaica, puede producir un par de orificios de electrones. Uno de los transportistas puede alcanzar la unión pn y contribuir a la corriente producida por la célula solar; se dice que tal portador es recogido. O bien, los portadores se recombinan sin una contribución neta a la corriente celular.

La eficiencia cuántica se refiere al porcentaje de fotones que se convierten en corriente eléctrica (es decir, portadores recolectados) cuando la celda se opera en condiciones de cortocircuito. La eficiencia cuántica "externa" de una célula solar de silicio incluye el efecto de pérdidas ópticas como la transmisión y la reflexión.

En particular, se pueden tomar algunas medidas para reducir estas pérdidas. Las pérdidas por reflexión, que pueden representar hasta el 10% de la energía incidente total, pueden reducirse drásticamente utilizando una técnica llamada texturización, un método de atrapamiento de luz que modifica la trayectoria de luz promedio.

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Última revisión: 8 de febrero de 2019

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