Resumen de Módulos fotovoltaicos de silicio en capa delgada: caracterización y modelización
Rubén Roldán Molinero
El diseño de un sistema de generación eléctrica fotovoltaica requiere la estimación precisa de la producción eléctrica. Las especificaciones técnicas de los módulos proporcionan los parámetros eléctricos relevantes sólo en la condición estándar que la Comisión Electrotécnica Internacional establece en su norma [IEC904-1]: 25 ºC de temperatura de módulo, 1000 Wm(2) de irradiancia, AM1.5 global en la distribución espectral de la radiación e incidencia normal a la superficie del módulo. La potencia eléctrica depende de la temperatura de la célula y la intensidad y el contenido espectral de la radiación incidente, que varía sustancialmente durante la producción. Distintas metodologías de estimación de la producción energética [Raicu 1991, Friesen 2002, Kenny 2002], que previamente han demostrado ser precisas en módulos de silicio cristalino, exhiben considerables desviaciones cuando se aplican a los módulos de silicio amorfo. En particular, la predicción de la eficiencia en los meses cálidos de verano es sistemáticamente inferior al comportamiento real observado. A diferencia de los módulos convencionales, que exhiben pérdidas de eficiencia debido al aumento de temperatura en verano, los módulos de silicio amorfo mejoran su eficiencia. Los modelos convencionales no explican este resultado que, en general, ha sido atribuido a efectos espectrales y de recuperación térmica o “annealing” [Akhmad 1997, delCueto 1997, King 2000, Kleiss 1993, Gottschalg 2003, Gottschalg 2004, Hirata 1995, Hirata 1998, Merten 1998b, Rüther 1994]. La importancia relativa de estos dos fenómenos es controvertida y dificulta el desarrollo de nuevos modelos de predicción. La finalidad de este trabajo de Tesis es obtener un modelo de predicción preciso para la tecnología de silicio amorfo mediante la caracterización y análisis de células solares y módulos fotovoltaicos de esta tecnología. Para ello se trabaja sobre un modelo de circuito eléctrico equivalente que considera las particularidades de las células solares de silicio amorfo. El primer bloque de la Tesis aborda la interpretación de las medidas eléctricas realizadas en el sistema de caracterización del laboratorio. Este sistema se ha adaptado para realizar medidas electro-ópticas automáticas a diferentes temperaturas e iluminación. Se han caracterizado células solares de silicio amorfo de pequeña área suministradas por un fabricante de módulos fotovoltaicos. Las medidas se interpretan mediante un modelo circuital que incluye un modelo analítico para describir el término de fotocorriente. Este modelo analítico es válido para dispositivos cuya fotocolección está asistida por campo eléctrico. La dependencia de la fotocorriente con la tensión aplicada es únicamente descrita mediante dos parámetros: el potencial de difusión V(b) y la tensión de colección V(c) [Merten 1998a, Asensi 1998, Hof 2000]. Del análisis de las medidas se ha determinado las dependencias de V(b) y V(c) con la iluminación y la temperatura. Introduciendo estas dependencias en el modelo circuital se puede reproducir adecuadamente el comportamiento eléctrico de las células solares de silicio amorfo en cualquier nivel de iluminación y temperatura. El segundo bloque de la Tesis está orientado hacia la monitorización en condiciones reales del comportamiento de módulos comerciales de silicio amorfo. Se ha diseñado y montado un sistema de monitorización que registra información detallada de las características eléctricas de los módulos, datos climáticos, temperaturas de módulo e intensidad y contenido espectral de la radiación incidente sobre el plano del módulo. Los datos obtenidos pueden interpretarse utilizando el modelo circuital desarrollado en el bloque anterior. Sin embargo, al no controlar la temperatura e iluminación, la metodología es, necesariamente, distinta. El procedimiento que se presenta permite el cálculo aproximado de los parámetros circuitales del módulo fotovoltaico a partir de los datos habituales de un sistema estándar de monitorización. Los resultados generales han constatado que el rendimiento de los módulos fotovoltaicos de silicio amorfo presenta un comportamiento periódico, cuyo valor máximo tiene lugar en verano. Es decir, cuando aumenta la temperatura y la irradiación. Se ha comprobado que el origen de esta evolución estacional se puede interpretar en términos de los promedios diarios de los principales parámetros característicos normalizados a la condición estándar de irradiancia: la corriente de cortocircuito, < J1000 (sc >d), asociada al efecto espectral, la tensión de circuito abierto, < V 1000 (oc >d), que depende de la temperatura del módulo y el factor de forma, < FF1000 (>d), que representa el comportamiento meta-estable del silicio amorfo. El análisis de estos parámetros concluye que el comportamiento estacional de los módulos monitorizados es principalmente debido al efecto espectral.
