lunes, 23 de abril de 2007

Materiales para células solares: José Luis Plaza

http://www.uam.es/cgl

2 comentarios:

Oscar R. Laborales dijo...

Hola a todos, como estudiante de estudios no científicos he intentado buscar más información sobre los materiales utilizados para la fabricación de paneles fotovoltaicos de los que nos habló en su ponencia Jose Luis Plaza y que fue de lo más interesante, he encontrado una página donde viene muy bien explicado todo sobre las células fotovoltaicas, su clasificación, funcionamiento, usos...etc, si estaís interesados os facilito los enlaces donde podeis encontrar toda la información:
http://wikipedia.org/wiki/panel_fotovoltaico
http://www.guascorfoton.com
Un saludo.

Mario dijo...

Hola, al publicar los resumen no me aparecen las imagenes que añadí en Word, y las formulas no están completas al ser texto plano, si alguien me explica como hacer para publicarlo correctamentese lo agradeceré, o donde figura el mail de Paloma...



Resumen de materiales para células solares.

1. Objetivos de la charla.

-Teoría de emisión del cuerpo negro: El sol como cuerpo negro.

-Funcionamiento de las células solares: Esquema de una célula solar basada en la unión P-N.

-Métodos más importantes de fabricación de células solares: CZ-LEC, Vertical gradient freeze, Bombardeo del sustrato con iones de baja energía.

-Materiales y sistemas de energía termofotovoltáicas y solar-termofotovoltaica.


2. Situación actual del mercado de células solares.

En la actualidad el 86% del la tecnología de las células solares está basada en Silicio, la otra opción son las células termovoltaicas, en las que cambia la energía aprovechada, convierte el calor del sol en el tipo de energía que precisemos.

Un problema que se plantea a la hora de fabricar células solares es el diseño de los electrodos, es necesario que conduzcan la electricidad pero también se busca que sean transparentes a la luz, para que no reduzcan el área efectiva de la célula solar.

En la actualidad nos encontramos en la tercera generación de células solares, la clasificación es la siguiente:

1ª Generación: Consiste en una gran superficie de silicio, formada por una única capa de uniones p-n, es capaz de generar electricidad usando el espectro visible de la luz solar. De este tipo son la mayoría de las células que se producen en la actualidad. Su eficiencia es baja, el rendimiento práctico no suele ir más allá del 15% y su coste, debido al proceso de elaboración, muy elevado. El material utilizado es Silicio monocristalino.











2ª Generación: Se basa en láminas (capas) delgadas de semiconductores. Cada capa está diseñada para absorber una longitud de onda mayor de la luz, incrementando la producción de electricidad y por tanto, la eficiencia. Se usan como materiales el Silicio amorfo o policristalino.

3ª Generación: Esta generación es muy diferente de las otras dos. El semiconductor no se apoya sobre las uniones p-n tradicionales para separar las cargas eléctricas foto-generadas. Estos nuevos dispositivos son las dye sensitized solar cells, las células de polímeros orgánicos y las quantum dot. No tienen tanta eficiencia como las de segunda generación pero poseen otras ventajas.

3. Emisión del cuerpo negro.
La intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro con una temperatura T viene dada por la ley de Planck:






















donde
• es la cantidad de energía por unidad de área, unidad de tiempo y unidad de ángulo sólido emitida en el rango de frecuencias entre y .
• h es una constante que se conoce como constante de Planck
• c es la velocidad de la luz
• k es la constante de Boltzmann.

Consideramos el modelo de emisión del sol como el de un cuerpo negro, pero se plantea el problema de que el rango de emisión es demasiado grande.
4. Funcionamiento de una celda solar.

Como ejemplo comentaremos una celda solar basada en la unión P-N. Al unir dos semiconductores, uno tipo N (con exceso de electrones) y otro tipo P (exceso de huecos), se crea una región neutra en la unión (zona de carga espacial) y se genera un campo que es el causante de inyectar los electrones.

Al iluminar con la luz se rompe la neutralidad de la carga, y debido al voltaje presente y al exceso de carga se consigue la energía eléctrica.


5. Métodos de fabricación.

Técnica CZ-LEC (Liquid encapsulated CZOCHRALSKI).

















En la anterior figura se muestra un sistema de crecimiento CZ-LEC. Es un método de fabricación de semiconductores. El germen de Silicio se pone en contacto con el fundido (melt) para crear el material. Al rotar el germen de silicio, a altas temperaturas mediante los hornos (heater), en el fundido se crea el cristal. El encapsulado (encapsulant) se necesita porque en el caso de aleacciones siempre hay un elemento volátil (del grupo V de la tabla periódica) que en caso de no usar encapsulado se podría evaporar.
Una sola oblea de Silicio es muy cara, debido al material y al proceso de crecimiento antes visto.

Una técnica alternativa es la conocida como “Vertical gradient freeze” (VGF), en la cual se varía poco a poco el perfil térmico para solidificar el cristal.

6. Formación de nanoestructuras en el sustrato por iones de baja energía.
(Q-DOT Formation by low energy ion)

Se bombardea el sustrato de la célula solar con iones de baja energía (baja frecuencia), dependiendo de la densidad de iones que impactan y de su distribución se obtienen formaciones distintas.

Al bombardear el sustrato las variaciones de la altura de la muestra siguen la ecuación de Kuramoto-sivashinski (KS).

Dependiendo de la incidencia del haz se obtienen muestras de con diferentes estructuras nanométricas en su superficie, de modo que se puedo conseguir aumentar el tiempo de vida de los portadores en el semiconductor, lo cual es muy conveniente ya que los portadores en exceso generados por la luz incidente tardan mas en recombinarse y es mas posible que contribuyan a la corriente eléctrica.

7. Preparación de la muestra.

Las células solares se obtienen normalmente por difusión. En el ejemplo que vamos a comentar se deposita una capa de oro encima del sustrato, GaSb, y se elimina la capa de oro bombardeando la oblea con iones (sputering).

Con un microscopio electrónico se puede comprobar que se forma una estructura nanométrica, por erosión se producen puntos de estructura aproximadamente hexagonal.
Se forman puntos cuánticos y se produce una emisión debido al confinamiento cuántico.


Otro método se lleva a cabo creciendo 2 capas superpuestas con distintas características de red, pero es más caro y complicado.














8. Células termofotovoltaicas.

Las células termofotovoltaicas (descritas en la charla) se obtienen por deposición de ZnO (óxido de Zinc) sobre GaSb (Antimonio de Galio). Se usa el óxido de de Zinc porque es transparente a la luz y buen conductor, condiciones necesarias para los electrodos como comentamos anteriormente. Por tanto con el Zn se pretende solucionar el problema de la malla de electrodos.

1º Se deposita Zn metálico sobre el sustrato.
2º Se difunde el Zn.
3º Se oxida la capa de Zn y se consigue el ZnO sobre el Galio.

Al depositar el Zn por el método de evaporación dinámica, calentando el horno y se evaporando el Zn hacia el sustrato, se crean cristales hexagonales. Si evaporamos durante 60 segundos el tamaño del grano es mucho menor que si evaporamos durante 80 segundos.

Abajo queda la oblea recubierta por un electrodo, entre las células hay redes de electrodos.


9. Ejemplo de sistema con TPV.

Las células termofotovoltaicas (TPV) excitan los pares electrón-hueco con luz de menor espectro que el sol, ya que no es viable ni útil calentar un material por encima de 2000K, ya que se invertiría mas energía de la que se obtiene.














En la figura anterior se observa un sistema que mediante un flujo de calor que llega a un emisor (emite una cantidad de luz que depende a la temperatura que se encuentre), y a través de un filtro llega a una célula fotovoltaica que produce la energía eléctrica tal como vimos en el funcionamiento de una celda solar.