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Por Paula Sánchez-Friera – Colaboradores: UNIA –  Módulos de 1 a 6 

 Curso-Energia-Solar-Modulo-1                                                                               

A Célula Solar  

1.1. O que é uma célula solar?
1.2. A junção pn
1,3. Como funciona uma célula solar?
1.4. Parâmetros da célula solar

 1.1 O que é uma célula solar?

A célula solar é um dispositivo eletrônico que converte a luz em eletricidade. Esta conversão é directa, isto é, eles não são necessários mecanismos ou de partes em movimento, não é necessário mais combustível para a luz solar, e não sejam produzidos durante a conversão.

As células solares funcionam através do efeito fotovoltaico, observado pela primeira vez pelo físico francês Becquerel em 1839, descobriu que o aparecimento de uma tensão entre dois eletrodos quando iluminado. A primeira célula solar foi construído em 1883 em selênio.Em 1954, no Bell Labs construiu a primeira célula solar moderna usando silício. A partir desse momento as células começam a ser usados ​​em aplicações espaciais, mas não até a década de 70, com a crise do petróleo, quando a carga de juros real como fonte de energia alternativa aos combustíveis fósseis. Desde então energia solar fotovoltaica tem crescido exponencialmente, atingindo em 2010 uma potência global acumulado de 40 GW, o que é mais ou menos equivalente à produção anual de eletricidade de 50 TWh.

Para fabricar uma célula solar é necessário, em primeiro lugar, um material de absorção de luz para gerar cargas eléctricas livres nele, e em segundo lugar, estas cargas podem ser removidos a partir do dispositivo. Na prática, a maioria das células solares são feitos de materiais semicondutores, que são capazes de absorver fotões incidentes com energia suficiente, libertando as cargas que podem contribuir para a corrente eléctrica. A fim de extrair carrega o dispositivo, uma junção pn é usado, como explicado abaixo, e os contactos metálicos, que em contacto com a célula a um circuito externo.

fig 1

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Figura 1: esquema típico de uma célula solar

O contacto do metal da frente, devem permitir a passagem de luz. Dependendo da tecnologia de fabrico, os contactos são utilizados em uma malha formada por materiais ou semi-transparentes, como discutido na unidade 3 . da camada anti-reflexo aplicado na superfície frontal da célula, reduz a reflectividade da mesma e, assim, aumentar o número de fotões que atingem a célula.

1.2 A junção pn

Em átomos de semicondutores posições em uma rede fixa. Os elétrons da camada externa, chamada de valência , são mais fracamente ligado ao núcleo do que o resto. Dentro do semicondutor, estes electrões ocupam orbital partilhada por cada par de átomos, formando o que é chamado de uma ligação covalente . Quando um desses electrões obter energia suficiente para quebrar a ligação, pode-se separar o núcleo e mover-se livremente no semicondutor. Neste caso, além disso, o elétron deixa um ” buraco “na ligação covalente que pode ser ocupado por outro elétron de uma aldeia vizinha, de modo que a diferença também pode percorrer o material como se fosse uma partícula carregada positivamente . O material começa a fazer uma pequena condutividade.

fig2 (1)

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Figura 2: Estrutura do diamante de silício cristalino cúbico

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Figura 3: banda de valência e banda de condução de energia gap

A diferença de energia entre o estado “ligado” eo estado “livre” do elétron é chamada degap de energia , e é característico do semicondutor em questão. A representação da energia disponível para o elétron no diagrama de banda do semicondutor é chamado. Abanda de valência é formada por energias potenciais que podem ser elétrons (ou buracos) no estado ligado, enquanto a unidade é energias ociosas.

Semicondutor pode ser dopada para aumentar a sua condutividade e gerar propriedades interessantes como responsável pelo funcionamento de células solares. Quando um semicondutor é dopado com um material que contenha mais de electrões de valência por átomo do que o material original tem um semicondutor do tipo n . O átomo de intruso é obrigado por ligações covalentes com os seus vizinhos, deixando o excesso de elétrons na banda de condução. Em um semicondutor do tipo n, com isso, há um grande número de elétrons como portadores de carga, e assim estes são chamados de portadores de carga majoritários . Por outro lado, se a impureza é de um material que contém pelo menos um electrão da banda de valência do material, folgas adicionais são introduzidos na banda de valência do semicondutor, também permitir a condução de carga eléctrica. Neste caso, temos um semicondutor do tipo p e os portadores de carga maioria são buracos.

A junção pn é gerada por contacto de um semicondutor do tipo n, com semicondutor do tipo p. No semicondutor do tipo n, existe uma grande quantidade de electrões livres na banda de condução, e um ião positivo do átomo dopante é introduzido no material, os quais são fixados na rede. No semicondutor do tipo p, no entanto, temos um monte de buracos livres na banda de valência, e íons negativos em uma rede fixa, o material utilizado como dopante.Ao colocar os dois materiais em contacto, os electrões se mover a partir da zona na área de p, em que a concentração de electrões é muito menor, por difusão . Do mesmo modo os furos para a área de difusão n. Difusão move os transportadores de carga maior para o lado oposto da junção.

Este movimento cria um desequilíbrio de carga em ambos os lados do material. Na área de n, tendo menos electrões, há um excesso de carga positiva, produzido por iões positivos de impureza. Área p, existe um excesso de carga negativa. Isto produz um campo eléctrico na região interna da articulação, o que atrai electrões de volta para a zona n e os orifícios de volta para a zona p. Esta corrente é chamada de arrasto , eo que ele faz é o transporte através da junção dos portadores de carga minoritários que estão próximos a ele. Este mecanismo é o oposto de difusão, de modo a atingir o equilíbrio deixa de ser um movimento líquido de preços entre as duas partes da união. Além disso, a área de junção onde o campo eléctrico é produzido esvazia portadores de carga.

Portanto, em equilíbrio (nenhuma iluminação e tensões externas), não há qualquer movimento de líquido de carga, porque a corrente de difusão é igual à corrente deriva gerada pelo campo eléctrico.

1.3 Como é que uma célula solar funciona?

Ao iluminar a célula solar, fotões que atingem o material maior do que a energia da banda proibida da energia pode ser absorvida, a geração de um par de electrões buracos. Se o torque é gerado no material n, contribuirá para uma mais elétrons portadores de carga da maioria, e com uma vantagem sobre os portadores de carga minoritários. Mas estes não são estáveis ​​na zona n, ele tem uma alta probabilidade de encontrar uma recombinam de electrões, de modo que o binário gerado seria perdido e sem conversão eléctrica. No entanto, se a diferença de se aproximar o suficiente para alcançar a confluência, o campo eléctrico vai arrastar a zona p, onde se tornarão um importante transportador de carga e pode contribuir para a corrente eléctrica.

Do mesmo modo, um par gerado no material p, contribuem para a corrente eléctrica se o electrão é capaz de chegar perto da junção antes da recombinação, e pode ser desenhada para a área de n.

Enquanto a célula é iluminada, a concentração de electrões na região do n do material (geração de pares de electrão-lacuna nesta região, e retirando electrões da região de p). Se ligar externamente os dois lados da célula, estes electrões adicionais podem deixar a célula, através da área de contacto do metal n, formando uma corrente eléctrica, chamadofotogerados . Os electrões retornar para dentro do dispositivo através do contacto do metal da zona p, onde se recombinam imediatamente com furos, que são portadores da maioria da região.

fig 4

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Figura 4: Desempenho de uma junção pn em curto quando iluminado. Elétrons podem deixar a área de contato n para fora.

Se ambos os lados da célula não são ligados, que está em condições de circuito aberto, para iluminar o dispositivo de electrões acumular no material n e os buracos na p. Esta separação de carga cria um campo elétrico oposto ao campo elétrico interno da União, o que reduz o campo de rede, facilitando o crescimento da corrente de difusão, até que um novo equilíbrio no qual novamente cancela corrente for atingido difusão com portadores minoritários atual deriva fotogeradas. Neste caso, o desequilíbrio de carga faz com que uma tensão de ambos os lados do dispositivo é mantida. Esta tensão é chamada tensão de circuito aberto.

1.4. Parâmetros da célula solar

Vimos que quando a célula é iluminada, se conectar eletricamente dois eletrodos, uma corrente flui, que é formado por elétrons fotogeradas pode chegar à área n do material pelo campo elétrico do sindicato. Esta corrente é chamado de curto-circuito , e é representado por sc . É maior quanto maior for a radiação solar incidente sobre a célula, isto é, quanto maior for o número de fotões que atingem o mesmo.

Mas se deixarmos os dois eletrodos da célula a ser ligado, ou seja, em circuito aberto, vimos que a acumulação de cargas produz uma tensão entre os eletrodos, que também será tanto maior quanto maior for a irradiância. Esta tensão é chamado circuito aberto e é denotado como oc .

Em posições intermédias, parte dos transportadores pode ser extraído a partir da célula solar, enquanto que uma outra parte é acumulada, gerando uma tensão entre os terminais.Isso irá gerar a tensão atual ea hora para que a célula produz energia elétrica.

A curva característica da célula é um em que a corrente gerada é representada pela célula, para cada valor possível de a tensão entre os seus terminais. Nele, podemos ver o ponto de curto-circuito e circuito aberto.

Denota a energia gerada IV contra tensão V , verificou-se que a potência máxima é dada por uma tensão ligeiramente mais baixa da tensão em circuito aberto. Esta tensão é chamado atensão máxima de alimentação ( m ), e a corrente gerada pela célula neste ponto é acorrente de saída máxima ( m ).

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Figura 5: IV curva de uma célula solar.

O rácio entre a potência máxima e o produto sc V oc , é chamado fator de forma ou de factor de enchimento (FF). Isso nos dá uma idéia do que quadrado é a curva IV da célula, e é maior quanto maior for a qualidade da célula solar.

eficácia é definida como a razão entre a potência máxima e a intensidade da radiação solar incidente sobre a área da célula, para uma dada condições de medição. Por convenção, as mais utilizadas “STC” (CEM), também chamado STC por sua sigla em Inglês ( condições de teste padrão ), que são:

– Irradiação 1000 W / m 2 (o valor de referência da irradiância também é chamado de “um sol”) na incidência normal.

– 25 ° C de temperatura da célula

– Radiação Spectrum AM1.5 (este é um espectro de referência definido na norma internacional).

Quando se discute a eficiência de um dispositivo fotovoltaico, e as condições são especificados, entende-se que este é condições STC.

Circuito Equivalente

A curva IV pode ser modelada usando bastante precisão o modelo de circuito equivalente da célula.

fig 6

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Figura 6: o circuito equivalente de uma célula solar.

Além da corrente fotogerada, simulado como uma fonte de corrente, e o diodo, que representa a junção PN, o modelo incorpora duas resistências, cujo efeito é especialmente importante em dispositivos fotovoltaicos industriais.

resistência série é causado pela oposição para a corrente no emissor, os eletrodos de base da célula solar e os contatos ou conexões entre eles e de semicondutores. A resistência em série mais elevada, quanto menor for o factor de forma da célula. A curva IV dos mais afetados pela resistência série está longe de ser o ponto de máxima potência para abrir o circuito. Em primeira aproximação, a resistência em série pode ser obtido a partir da curva IV como o declive da curva no ponto de circuito aberto. Para reduzir a resistência de série é a chave para fazer uma boa concepção da célula solar, em que os contactos metálicos dianteiros são óptimas.

Resistência paralelo fornece um caminho alternativo para a corrente gerada. Em vez de fluir através da junção pn, flui através da resistência em paralelo de modo que a tensão da célula é reduzida. Quanto menor for a resistência paralela, mais actual pode ser desviado, e em que o factor de forma da célula e, consequentemente, a sua eficácia é reduzida. O impacto desta resistência paralela é particularmente elevado quando a célula funciona a baixa irradiação. A resistência paralela afecta principalmente a primeira fase da curva IV e pode ser calculado como o inverso do declive da curva IV no ponto de curto-circuito. A resistência paralela de baixa normalmente tem a sua origem em defeitos de fabrico, de modo a maximizar o que é necessário para manter um bom controlo do processo de produção.

fig 7

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Figura 7:. Impacto da resistência em série no desempenho da célula solar 

fig 8

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Figura 8: Impacto de a resistência paralela do desempenho da célula solar.

Resposta espectral

Às vezes, é interessante conhecer não apenas a eficácia da célula a um dado irradiância, mas saber como a célula, para cada comprimento de onda da luz incidente se comporta.Como vimos na seção anterior, a célula não é convertida em electricidade todos os fótons incidentes, mas apenas aqueles cuja energia é maior do que a lacuna. Além disso, quando os fótons são muito enérgico, a maioria de sua energia é desperdiçada porque cada um só pode gerar um par elétron-buraco.

A curva de resposta espectral indica a corrente gerada pela célula dividida entre a intensidade de radiação para cada comprimento de onda. Mede-se em A / W. Nós, portanto, fornece informações adicionais que podem ser extremamente úteis ao projetar ou aperfeiçoar células solares, bem como para identificar possíveis problemas de produção.

fig 9

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Figura 9: Resposta espectral de uma célula solar.

Impacto da irradiância e temperatura no desempenho da célula

 

Os parâmetros das células solares dependem fortemente da irradiação ou a intensidade da radiação solar para o qual a célula é exposta. A corrente de curto-circuito depende linearmente da irradiância. A tensão em circuito aberto é também aumentada irradiância, embora mais lentamente, em função logarítmica. A dependência da eficiência com que a irradiação é complexo e depende dos valores da resistência em série e em paralelo das células.

A temperatura também desempenha um papel. Com o aumento da temperatura, o gap de energia é reduzido, o que afeta a maioria dos parâmetros celulares, especialmente a tensão de circuito aberto, que é reduzido. Para o silício a queda é de aproximadamente 2,2 mV / ° C. A potência máxima se situa entre -0,4 e 0,5% / ° C, enquanto que os aumentos da corrente de curto-circuito ligeiramente (cerca de 0,05% / ° C).


fonte:

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Um estudo de:

João Carlos Vilela  13/10/2014

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