Celda solar

Diversos paneles solares
Paneles solares

En primer lugar, los semiconductores, como una celda solar, tienen la capacidad de absorber luz. Posteriormente. proveer una fracción de la energía absorbida de los fotones a portadores de corriente eléctrica. Recordemos, que los portadores de corriente son electrones y huecos.

Cuando hablamos de la energía con la que llegan los fotones, tenemos que relacionar que la luz exhibe un comportamiento dual. El comportamiento de onda partícula, en donde la energía del fotón está en función a su longitud de onda.

    \[E_ \lambda = hc/ \lambda  \]

Los fotones que llegan con suficiente energía para crear un par electrón hueco, son aquellos que tienen una energía mayor a la de la banda prohibida. Energía entre bandas del semiconductor. Estos son los que contribuyen con el proceso de conversión de energía. A continuación se muestra una estructura simplificada de una celda solar.

Celda solar

Voltaje y corriente en una Celda Solar

En primer lugar, una celda solar, puede operar en diferentes puntos de voltaje y corriente. Esto se logra variando la resistencia de carga conectada a la misma. Al multiplicar cada valor de voltaje y corriente correspondientes en la curva I-V, se obtiene la curva V-P o de potencia. Al valor máximo de la curva V-P se le conoce como el punto máximo de potencia (MPP, por sus siglas en inglés). La resistencia de carga necesaria para hacer que la celda solar trabaje en el MPP de la curva, se calcula con el inverso de la pendiente que se forma del origen de la gráfica hasta el punto MPP.

En la siguiente figura, se puede apreciar las curvas I-V y V-P. Además de la pendiente para la resistencia de carga. Otros parámetros importantes en la curva V-I son la corriente en corto circuito Isc, el voltaje en circuito abierto Voc, y la corriente y voltaje en el punto de potencia máximo Imp, Vmp.

Celda solar

Eficiencia de una celda solar

Para una celda solar, la eficiencia puede ser obtenida mediante la siguiente ecuación. La eficiencia, es el porcentaje de potencia convertida en energía eléctrica de la radiación solar total que incide en una celda solar. La eficiencia se calcula bajo condiciones de operación estándar (STC, por sus siglas en inglés). Las STC especifican una temperatura de 25°C y una irradiancia de G=1000 W/m2 con una masa de aire espectral de 1.5.

    \[ \eta = (P_{mp})/(GA_c)  \]

El factor de llenado (FF, por sus siglas en inglés) se define como la relación entre el máximo punto de potencia dividido entre el voltaje en circuito abierto y la corriente en cortocircuito. El factor de llenado sirve para definir la eficacia de la celda solar. Suele encontrarse entre los valores de 0.75 y 0.85 para celdas de silicio cristalino.

    \[ FF = (P_{mp})/{(V_oc)(I_mp)}  \]

Modelo de una Celda Solar

El modelo tiene una fuente de corriente Iph. Esta fuente depende de la radiación y de la temperatura de la celda. Un diodo en paralelo en donde la corriente inversa de saturación I0 depende de la temperatura. Una resistencia en serie Rs, la cual representa el efecto de la resistencia interna y los contactos en la celda. Y la resistencia de contacto en paralelo con el diodo Rsh, la cual representa la corriente que fluye a través de la celda.

Celda solar

El comportamiento para corriente-voltaje de una celda solar es descrito por la siguiente expresión:

    \[ I=I_{ph}-I_O(e^{\frac{V+R_SI}{A}}-1)-\frac{V+R_SI}{R_{SH}}  \]

Finalmente, como se puede observar, en la ecuación previa, no es posible obtener un resultado de manera directa. Para esta ecuación, se recomienda hacer uso del método de solución iterativo Newton-Raphson. Se recomienda proponer un valor inicial de 0.9 en la corriente de corto circuito.

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