Módulos fotovoltaicos de silicio en capa delgada: caracterización y modelización

Abstract

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.

The design of a photovoltaic power generation system requires accurate estimation of electricity. The technical specifications of the modules provide the relevant electrical parameters just at the standard condition that the International Electrotechnical Commission states in [IEC904 -1]: 25° C of module temperature, 1000 Wm(-2) of irradiance, global AM1.5 spectral distribution of radiation and normal incidence to the surface of the module. Electrical power dependent on the cell temperature and the intensity and the spectral content of the incident radiation, which varies substantially during production. Different methodologies for estimating energy production [Raicu 1991, Friesen 2002, Kenny 2002], which have previously shown to be accurate in crystalline silicon modules, exhibit considerable deviations when applied to amorphous silicon modules. In particular, the prediction of efficiency in the warm summer months is systematic lower than the experimental behavior. In contrast to conventional modules, exhibiting loss of efficiency due to the temperature rise in summer, the amorphous silicon improving efficiency. Conventional models do not explain this result that, in general, has been attributed to spectral effects and thermal recovery or "annealing" [Akhmad 1997, del Cueto 1997, King 2000, Kleiss 1993, Gottschalg 2003, Gottschalg 2004, Hirata 1995, Hirata 1998, Merten 1998b, Rüther 1994]. The relative importance of these two phenomena is controversial and hinders the development of new predictive models. The purpose of this thesis work is to obtain an accurate prediction model for amorphous silicon technology through the characterization and analysis of solar cells and photovoltaic modules of this technology.

The measurements are interpreted using a circuit model which includes an analytical model to describe the term of photocurrent. This analytical model is valid for devices whose fotocolection is assisted by electric field. The dependence of the photocurrent with the applied voltage is only described by two parameters: the diffusion potential Vbi and collection voltage Vc [Merten 1998a, Asensi 1998, Hof 2000]. The analysis of the measurements has determined dependencies of Vbi and Vc with light and temperature. Introducing these dependencies in the circuit model can adequately reproduce the electrical behavior of amorphous silicon solar cells at any light and temperature level.

The performance of amorphous silicon photovoltaic modules operating under outdoors conditions presents a periodic behavior, whose maximum value occurs in summer. That is, when the temperature and irradiation increases. It was found that the origin of this seasonal trend can be interpreted in terms of daily averages of the main characteristic parameters normalized to 1000 Wm(-2) short circuit current, < J1000 (sc) >d, associated with the spectral effect, open circuit voltage, < V 1000 (oc) >d, which depends on the temperature of the module and the fill factor, < FF1000 >d, which represents the meta-stable behavior of the amorphous silicon. The analysis of these parameters concludes that the seasonal behavior of the monitored modules is mainly due to spectral effect.