En las clases de Termodinámica mi Profesora Flor Pérez explicaba el Ciclo de Carnot con una gran facilidad que podíamos aplicar esos conocimientos a resolver toda clase de problemas que involucraba una máquina térmica que operaba con procesos isotérmicos y adiabáticos cuando entraba o salía calor del sistema. Era una manera de determinar la eficiencia de una máquina térmica y en esta ocasión nos vamos a ocupar en la manera de fabricar y activar eléctricamente al prototipo de Celda Solar y encontrar la eficiencia de conversión de la Energía Solar a Energía Eléctrica, usando un simulador de irradiancia solar AM1.5.

La eficiencia de una máquina térmica no es única, no siempre es del 91% o 6%, puesto que va a depender de la magnitud del calor que entra o sale, o equivalentemente de las temperaturas de los focos de calor. De manera análoga, la eficiencia de conversión energética de una celda solar depende de varios factores físicos, químicos, geométricos y de que los componentes de la celda solar se ubiquen en la zona de máxima irradiancia sola Lo diferencia radica en que en esta última la eficiencia máxima está limitada al 30%, según el Teorema de Shockley-Queisser.

Determinación de la eficiencia de conversión de una Celda Solar.

Original de iamphysical

Terminología básica

Ya lo he señalado en publicaciones anteriores, la gráfica de la irradiancia solar en función de la longitud de onda (o energía) es muy importante porque nos permite ubicarnos en la zona de máxima irradiancia que puede aumentar la eficiencia de conversión más cercana al 30%.

Esto no lo dejaré de presentar cada vez que hable de eficiencia de conversión de una celda solar, ya que es primordial resaltar lo siguiente:

• El material absorbente debe tener una brecha de energía entre 645 nm y 1240 nm para aprovechar la máxima irradiancia solar.
• Tratar que la E_G no coincida con los picos de absorción atmosférica y partículas de agua, según la irradiancia directa.
• La irradiancia directa considera el decaimiento de la potencia de la radiación solar al atravesar la masa de aire terrestre y se denomina AM1.5
• La utilización de celdas solares en naves espaciales son gobernadas por la irradiancia espacial o fuera de la atmósfera y no se ve afectada por los picos mencionados antes. Se le conoce como radiación AM1.0
  
• El efecto fotovoltaico requiere el uso de materiales sensibles a la radiación de fotones incidentes, reduciendo la resistencia eléctrica y aumentando los mecanismos de conducción de los portadores de carga.

Procedimiento para la activación térmica de la unión p-n.

Se sabe que si se coloca un cuaderno sobre un libro, vamos a tener disponibilidad de cada uno de ellos por separado a menos que utilicemos un pegamento adecuado y un tiempo de secado para garantizar la unión entre ambos elementos. Algo similar ocurre con las diferentes capas que configuran una celda solar y se requiere de una metodología para la activación de la misma.

1. Depositar las diferentes capas de semiconductores según la técnica apropiada de recubrimiento.
2. Colocar los contactos eléctricos de Indio sobre la superficie superior.
3. Introducir el prototipo de celda solar dentro del horno CVD, hacerle vacío dinámico (10^-5 Torr) y calentar hasta 700 ºC durante 30 minutos.
   
   

El contacto eléctrico trasero, realizado con pintura de Plata puede sufrir daños por calentamiento del polímero y secador de esmalte, pero en términos generales "sobrevive" al choque térmico..

Proceso Térmico Rápido de las capas delgadas

Para los prototipos de celdas solares en la configuración de películas delgadas, tuve mayor precaución con la temperatura y tiempo de activación de la celda, aunque sacrifiqué el vacío dinámico! Resulta que el Rapid Thermal Processing (RTP) normalmente es entre 1 y 10 segundos de duración con temperaturas entre 500 y 1000 ºC en la mayoría de los casos, así que debía introducir y sacar la muestra rápidamente y por eso no pude utilizar el horno CVD..

Capas delgadas de semiconductores.
Original de iamphysical

Al estudiar los diferentes prototipos de celdas me encontré con una nula eficiencia (0,03 %), nada de efecto fotovoltaico! Así que comencé a estudiar capa a capa y el efecto que tiene el calentamiento a altas temperaturas.

El tratamiento térmico produce cambios importantes sobre las películas delgadas de CdS, ya que modifica su coloración (posiblemente un cambio estructural y de brecha de energía) y su resistencia eléctrica aumenta en algunos casos o se "quema" la película destruyendo su conductividad.

Aportes del artículo

Al principio de las investigaciones sobre las Celdas Solares, me parecía que sería muy sencillo obtener una unión p-n de semiconductores cuyas técnicas de deposición se basan en seguir una receta y realmente me he encontrado varios entramados tecnológicos que hay que superar de manera "técnica". Por ejemplo, el tema de "recocido" debe hacerse en una cámara de vacío y a una temperatura "baja" que no destruya las propiedades efectivas del material semiconductor. Aquí, inevitablemente, el tiempo se prolonga más de lo deseado (menos de 1 minuto) por lo que la aplicación del RTP es imposible bajo estas condiciones. Continuaré buscando información sobre el tema de activación de la celda solar y ya estoy solicitando la colaboración de otros investigadores con mayor experiencia en la fabricación de dispositivos, ya que aun no he tenido éxito en fabricar un prototipo que funcione adecuadamente, lo siento!

Hasta pronto mis estimados amigos de stem-espanol y de la comunidad científica steemstem.

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