La eficiencia de la célula solar se refiere a la porción de energía en forma de luz solar que se puede convertir a través de energía fotovoltaica en electricidad.
La eficiencia de las células solares utilizadas en un sistema fotovoltaico, en combinación con la latitud y el clima, determina la producción de energía anual del sistema. Por ejemplo, un panel solar con una eficiencia del 20% y un área de 1 m2 producirá 200 W en condiciones de prueba estándar, pero puede producir más cuando el sol está alto en el cielo y producirá menos en condiciones nubosas o cuando el sol está bajo en el cielo En el centro de Colorado, que recibe una insolación anual de 5.5 kWh / m2 / día (o 230W / m2), se puede esperar que ese panel produzca 440 kWh de energía por año. Sin embargo, en Michigan, que recibe solo 3.8 kWh / m2 / día, el rendimiento energético anual caerá a 280 kWh para el mismo panel. En las latitudes más al norte de Europa, los rendimientos son significativamente más bajos: 175 kWh de rendimiento energético anual en el sur de Inglaterra.
Varios factores afectan el valor de eficiencia de conversión de una celda, incluyendo su eficiencia de reflectancia, eficiencia termodinámica, eficiencia de separación del transportador de carga y valores de eficiencia de conducción. Debido a que estos parámetros pueden ser difíciles de medir directamente, en su lugar se miden otros parámetros, incluida la eficiencia cuántica, la relación VOC y el factor de llenado. Las pérdidas de reflectancia se explican por el valor de eficiencia cuántica, ya que afectan la «eficiencia cuántica externa». Las pérdidas de recombinación se contabilizan por la eficiencia cuántica, la relación VOC y los valores del factor de relleno. Las pérdidas resistivas se explican principalmente por el valor del factor de relleno, pero también contribuyen a la eficiencia cuántica y los valores de la relación VOC.
A partir de diciembre de 2014, el récord mundial de eficiencia de células solares en 46.0% se logró mediante el uso de células solares concentradoras de múltiples uniones, desarrolladas a partir de los esfuerzos de colaboración de Soitec, CEA-Leti, Francia, junto con Fraunhofer ISE, Alemania.
Factores que afectan la eficiencia de conversión de energía
Los factores que afectan la eficiencia de conversión de energía fueron expuestos en un documento histórico por William Shockley y Hans Queisser en 1961. Vea el límite de Shockley-Queisser para más detalles.
Límite de eficiencia termodinámica y límite de pila infinita
Si uno tiene una fuente de calor a temperatura Ts y un disipador de calor más frío a la temperatura Tc, el valor máximo teóricamente posible para la relación de trabajo (o potencia eléctrica) obtenida para el calor suministrado es 1-Tc / Ts, proporcionado por un motor térmico Carnot . Si tomamos 6000 K para la temperatura del sol y 300 K para las condiciones ambientales en la tierra, esto llega al 95%. En 1981, Alexis de Vos y Herman Pauwels demostraron que esto se puede lograr con una pila de un número infinito de celdas con espacios de banda que van desde el infinito (las primeras celdas encontradas por los fotones entrantes) hasta cero, con un voltaje en cada celda muy cerca a la tensión de circuito abierto, igual al 95% del espacio de banda de esa celda, y con radiación de cuerpo negro de 6000 K proveniente de todas las direcciones. Sin embargo, la eficiencia del 95% conseguida significa que la potencia eléctrica es el 95% de la cantidad neta de luz absorbida: la pila emite radiación ya que tiene una temperatura distinta de cero, y esta radiación debe restarse de la radiación entrante al calcular la cantidad de calor que se transfiere y la eficiencia. También consideraron el problema más relevante de maximizar la salida de potencia para una pila que se ilumina desde todas las direcciones mediante 6000 K de radiación de cuerpo negro. En este caso, los voltajes deben reducirse a menos del 95% de la banda prohibida (el porcentaje no es constante en todas las celdas). La eficacia teórica máxima calculada es del 86.8% para una pila de un número infinito de celdas, usando la radiación de luz solar concentrada entrante. Cuando la radiación entrante proviene solo de un área del cielo del tamaño del sol, el límite de eficiencia cae al 68.7%.
Máxima eficiencia
Sin embargo, los sistemas fotovoltaicos normales solo tienen una unión pn y, por lo tanto, están sujetos a un límite de eficiencia más bajo, denominado «eficiencia máxima» por Shockley y Queisser. Los fotones con una energía por debajo del espacio de banda del material absorbente no pueden generar un par electrón-agujero, por lo que su energía no se convierte en una salida útil, y solo genera calor si se absorbe. Para los fotones con una energía por encima de la energía de banda prohibida, solo una fracción de la energía por encima del espacio de banda se puede convertir en una salida útil. Cuando se absorbe un fotón de mayor energía, el exceso de energía por encima del espacio de banda se convierte en energía cinética de la combinación de portador. El exceso de energía cinética se convierte en calor a través de interacciones de fonones a medida que la energía cinética de los portadores disminuye a velocidad de equilibrio. Las células de unión única tradicionales tienen una eficacia teórica máxima del 33.16%.
Las células solares con múltiples materiales absorbedores de espacio de banda mejoran la eficiencia dividiendo el espectro solar en recipientes más pequeños donde el límite de eficiencia termodinámica es más alto para cada contenedor.
Eficiencia cuántica
Como se describió anteriormente, cuando un fotón es absorbido por una célula solar, puede producir un par de electrón-agujero. Uno de los portadores puede alcanzar la unión pn y contribuir a la corriente producida por la célula solar; se dice que ese portador se recoge. O bien, los portadores se recombinan sin 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 tales como la transmisión y la reflexión.
En particular, se pueden tomar algunas medidas para reducir estas pérdidas. Las pérdidas de reflexión, que pueden representar hasta el 10% de la energía incidente total, pueden reducirse drásticamente mediante una técnica llamada texturización, un método de captura de luz que modifica la trayectoria de la luz promedio.
La eficiencia cuántica se expresa más útilmente como una medida espectral (es decir, como una función de la longitud de onda o energía del fotón). Dado que algunas longitudes de onda se absorben más eficazmente que otras, las mediciones espectrales de eficiencia cuántica pueden proporcionar información valiosa sobre la calidad del volumen y las superficies de los semiconductores. La eficiencia cuántica por sí sola no es lo mismo que la eficiencia global de conversión de energía, ya que no transmite información sobre la fracción de potencia que convierte la célula solar.
Punto de máxima potencia
Una célula solar puede operar en una amplia gama de tensiones (V) y corrientes (I). Al aumentar la carga resistiva en una célula irradiada continuamente desde cero (un cortocircuito) a 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 célula puede entregar potencia eléctrica máxima a ese nivel de irradiación. (La potencia de salida es cero en los extremos de cortocircuito y circuito abierto).
Una celda solar de silicio monocristalino de alta calidad, a una temperatura de celda de 25 ° C, puede producir 0.60 V de circuito abierto (VOC). La temperatura de la celda a plena luz del sol, incluso con una temperatura del aire de 25 ° C, probablemente sea cercana a 45 ° C, reduciendo el voltaje de circuito abierto a 0.55 V por celda. El voltaje cae modestamente, con este tipo de celda, hasta que se aproxima la corriente de cortocircuito (ISC). La potencia máxima (con una temperatura de celda de 45 ° C) se produce típicamente con 75% a 80% de la tensión de circuito abierto (0,43 V en este caso) y 90% de la corriente de cortocircuito. Esta salida puede ser de hasta el 70% del producto VOC x ISC. La corriente de cortocircuito (ISC) de una celda es casi proporcional a la iluminación, mientras que la tensión de circuito abierto (VOC) puede caer solo un 10% con una caída del 80% en la iluminación. Las células de menor calidad tienen una caída más rápida en el voltaje con el aumento de la corriente y podrían producir solo 1/2 VOC a 1/2 ISC. La potencia de salida utilizable podría caer del 70% del producto VOC x ISC al 50% o incluso tan solo al 25%. Los vendedores que califican la «potencia» de su célula solar solo como VOC x ISC, sin dar curvas de carga, pueden estar distorsionando seriamente su rendimiento real.
El punto de máxima potencia de una instalación 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 puntos de máxima potencia rastrea la potencia instantánea al medir continuamente el voltaje y la corriente (y por lo tanto, la transferencia de potencia) y utiliza esta información para ajustar dinámicamente la carga para que siempre se transfiera la máxima potencia , independientemente de la variación en la iluminación.
Factor de llenado
Otro término definitorio en el comportamiento general de una célula solar es el factor de llenado (FF). Este factor es una medida de la calidad de una célula solar. Esta es la potencia disponible en el punto de máxima potencia (Pm) dividido por la tensión de circuito abierto (VOC) y la corriente de cortocircuito (ISC):
El factor de relleno puede representarse gráficamente mediante el barrido IV, donde es la relación de las diferentes áreas rectangulares.
El factor de relleno se ve directamente afectado por los valores de la serie de la celda, las resistencias de derivación y las pérdidas de diodos. El aumento de la resistencia de derivación (Rsh) y la disminución de la resistencia en serie (Rs) conducen a un factor de llenado 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 relleno típicos varían del 50% al 82%. El factor de llenado para una celda PV de silicio normal es del 80%.
Comparación
La eficiencia de conversión de energía se mide dividiendo la salida eléctrica por la potencia de la luz incidente. Los factores que influyen en la salida incluyen la distribución espectral, la distribución espacial de la potencia, la temperatura y la carga resistiva. El estándar IEC 61215 se utiliza para comparar el rendimiento de las celdas y está diseñado en condiciones y temperatura estándar (terrestre, templada): irradiación de 1 kW / m2, una distribución espectral próxima a la radiación solar a través de AM (masa de aire) de 1,5 y una temperatura de la celda de 25 ° C. La carga resistiva se varía hasta que se alcanza el pico o punto de máxima potencia (MPP). La potencia en este punto se registra como Watt-peak (Wp). El mismo estándar se usa para medir la potencia y la eficiencia de los módulos fotovoltaicos.
La masa de aire afecta la producción. En el espacio, donde no hay atmósfera, el espectro del sol está relativamente sin filtrar. Sin embargo, en la tierra, el aire filtra la luz entrante y cambia el espectro solar. El efecto de filtrado varía desde la masa de aire 0 (AM0) en el espacio, hasta aproximadamente la masa de aire 1.5 en la Tierra. Multiplicar las diferencias espectrales por la eficiencia cuántica de la célula solar en cuestión produce la eficiencia. Las eficiencias terrestres generalmente son mayores que las eficiencias espaciales. Por ejemplo, una célula solar de silicio en el espacio podría tener una eficiencia del 14% en AM0, pero del 16% en la Tierra en AM 1.5. Tenga en cuenta, sin embargo, que el número de fotones incidentes en el espacio es considerablemente mayor, por lo que la célula solar podría producir considerablemente más energía en el espacio, a pesar de la menor eficiencia indicada por un porcentaje reducido de la energía incidente total capturada.
Las eficiencias de las células solares varían desde 6% para las células solares basadas en silicio amorfo hasta 44.0% con células de producción de unión múltiple y 44.4% con matrices múltiples ensambladas en un paquete híbrido. Las eficiencias de conversión de energía de las células solares para las células solares de Si multicristalinos disponibles comercialmente son de alrededor del 14-19%. Las celdas de mayor eficiencia no siempre han sido las más económicas; por ejemplo, una celda multijuncionamiento eficiente al 30% basada en materiales exóticos como el arseniuro de galio o el seleniuro de indio producido a bajo volumen bien podría costar cien veces más que un silicio amorfo eficiente al 8% célula en producción en masa, mientras que entrega solo cerca de cuatro veces la producción.
Sin embargo, hay una manera de «impulsar» la energía solar. Al aumentar la intensidad de la luz, normalmente aumentan los portadores fotogenerados, lo que aumenta la eficiencia hasta en un 15%. Estos llamados «sistemas concentradores» solo han comenzado a ser competitivos en cuanto a costos como resultado del desarrollo de celdas GaAs de alta eficiencia. El aumento en la intensidad normalmente se logra mediante el uso de óptica de concentración. Un sistema concentrador típico puede usar una intensidad de luz de 6-400 veces el sol, y aumentar la eficiencia de una celda GaAs de un sol desde el 31% a una AM de 1,5 a 35%.
Un método común utilizado para expresar los costos económicos es calcular un precio por kilovatio-hora entregado (kWh). La eficiencia de la célula solar en combinación con la irradiación disponible tiene una gran influencia en los costos, pero en general la eficiencia general del sistema es importante. Las células solares comercialmente disponibles (a partir de 2006) alcanzaron eficiencias del sistema entre 5 y 19%.
Los dispositivos de silicio cristalino no plegado se están acercando a la eficiencia límite teórica de 29.43%. En 2017, se logró una eficiencia del 26.63% en una célula de heterounión de silicio amorfo / silicio cristalino que coloca contactos positivos y negativos en la parte posterior de la célula.
Retribución de la energía
El tiempo de amortización de la energía se define como el tiempo de recuperación requerido para generar la energía gastada en la fabricación de un módulo fotovoltaico moderno. En 2008, se estimó que era de 1 a 4 años, según el tipo de módulo y la ubicación. Con una vida útil típica de 20 a 30 años, esto significa que las células solares modernas serían productores netos de energía, es decir, generarían más energía a lo largo de su vida que la energía que se gasta en producirlas. Generalmente, las tecnologías de película delgada -a pesar de tener eficiencias de conversión comparativamente bajas- logran tiempos de amortización de energía significativamente más cortos que los sistemas convencionales (a menudo & lt; 1 año).
Un estudio publicado en 2013 que la literatura existente encontró que el tiempo de amortización de energía estaba entre 0,75 y 3,5 años con células de película delgada en el extremo inferior y multi-si-cells con un tiempo de amortización de 1,5-2,6 años. Una revisión de 2015 evaluó el tiempo de amortización de energía y EROI de la energía solar fotovoltaica. En este metaestudio, que utiliza una insolación de 1700 kWh / m2 / año y una vida útil del sistema de 30 años, se encontraron EROI armonizados medios entre 8,7 y 34,2. La media del tiempo de recuperación de la energía armonizada varió de 1,0 a 4,1 años. Los dispositivos de silicio cristalino logran en promedio un período de recuperación de energía de 2 años.
Como cualquier otra tecnología, la fabricación de células solares depende y presupone la existencia de un complejo sistema de fabricación industrial global. Esto comprende no solo los sistemas de fabricación generalmente contabilizados en las estimaciones de energía de fabricación, sino también los sistemas contingentes de minería, refinación y transporte global, así como otros sistemas de soporte intensivo de energía que incluyen finanzas, información y sistemas de seguridad. La incertidumbre de ese componente energético confiere incertidumbre a cualquier estimación de los tiempos de amortización derivados de esa estimación, que algunos consideran importante.
Métodos técnicos para mejorar la eficiencia
Elegir conductor transparente óptimo
El lado iluminado de algunos tipos de células solares, películas delgadas, tiene una película conductora transparente para permitir que la luz entre en el material activo y para recoger los portadores de carga generados. Típicamente, las películas con alta transmitancia y alta conductancia eléctrica tales como óxido de indio y estaño, polímeros conductores o redes conductoras de nanocables se usan para este propósito. Existe una relación de compromiso entre la alta transmitancia y la conductancia eléctrica, por lo que la densidad óptima de los nanocables conductores o la estructura de la red conductora debe elegirse para una alta eficiencia.
Promover la dispersión de la luz en el espectro visible
Al alinear la superficie receptora de luz de la celda con pernos metálicos de tamaño nanométrico, la eficiencia de la celda puede aumentar sustancialmente, ya que la luz se refleja en estos pernos en un ángulo oblicuo a la celda, aumentando la longitud del camino que toma la luz. a través de la célula, lo que aumenta la cantidad de fotones absorbidos por la célula, y también la cantidad de corriente generada.
Los principales materiales utilizados para los nano-studs son plata, oro y aluminio, por nombrar algunos. 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 luz que llega a la célula. 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. Por lo tanto, el aluminio es capaz de aumentar la eficiencia de la celda hasta en un 22% (en condiciones de laboratorio).
Enfriamiento radiativo
Un aumento en la temperatura de la célula solar de alrededor de 1 ° C conduce a una disminución en la eficiencia de aproximadamente 0.45%. Para evitar una disminución de la eficiencia debido al calentamiento, se puede aplicar una capa de cristal de sílice visiblemente transparente a un panel solar. La capa de sílice actúa como un cuerpo negro térmico que emite calor en forma de radiación infrarroja hacia el espacio, enfriando la celda hasta en 13 ° C.
Revestimientos y texturas antirreflectantes
Los recubrimientos antirreflectantes podrían provocar una interferencia más destructiva de las ondas de luz incidente del sol. Por lo tanto, toda la luz del sol se transmitirá a la fotovoltaica. Además, la texturización, en la que la superficie de una célula solar se altera de modo que la luz reflejada golpea la superficie de nuevo, es otra técnica utilizada para reducir la reflexión. Estas superficies se pueden crear grabando o usando litografía. Agregar una superficie posterior plana además de texturizar la superficie frontal ayuda a atrapar la luz dentro de la celda para una longitud de trayectoria óptica más larga.
Pasivación de la parte posterior
Si bien se han realizado muchas mejoras en la parte frontal de las células solares para la producción en masa, la superficie posterior de aluminio está retrasando las mejoras en la eficiencia. La eficiencia de muchas celdas solares se ha beneficiado al crear el llamado emisor pasivado y las celdas traseras (PERCs). La deposición química de una pila de capa de pasivación dieléctrica en la superficie posterior que también está hecha de una película delgada de sílice o de óxido de aluminio 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 celular para el material comercial de oblea Cz-Si al 20.2% y la eficiencia celular para cuasi-mono-Si a un registro de 19.9%.
Materiales de película fina
Thin Film Materials muestra una gran promesa para las células solares en términos de bajos costos y adaptabilidad a las estructuras y marcos existentes en tecnología. Sin embargo, dado que los materiales son tan delgados, carecen de la absorción óptica que tienen las células solares a granel. Si bien se han intentado corregir este problema, lo más importante es centrarse en la recombinación de la superficie de la película delgada. Dado que este es el proceso de recombinación dominante de las células solares de capa fina a nanoescala, es crucial para su eficacia. Agregar una capa fina pasivante de dióxido de silicio podría reducir la recombinación.