Simulación de la estructura del CdTe, sus propiedades ópticas y electrónicas para su uso en celdas solares

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

UNIDAD TICOMAN  

MAESTRÍA EN GEOCIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN DE LOS RECURSOS NATURALES

PROYECTO:  

Simulación de la estructura del CdTe, sus propiedades ópticas y electrónicas para su uso en celdas solares 

JENNIFER ESMERALDA WHITE NARVÁEZ 

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:  

ADMINISTRACIÓN DE ENERGIA

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CONSEJERO[pic 2]

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DR. GABRIEL RAMÍREZ DÁMASO [pic 4]

INTRODUCCIÓN   

La energía solar es la energía obtenida a modo de calor y por medio de la captación de la luz, emitidos por el Sol. La primera forma de usar la energía solar la conforman los denominados sistemas solares térmicos, en lo que la segunda forma de implementación de la energía solar la conforman los sistemas solares fotovoltaicos. La energía de esta forma producida es limpia, confiable y se puede utilizar para una vasta diversidad de aplicaciones.

Varias de los resultados positivos de implementación de sistemas basados en la energía solar son:

- Es una tecnología en desarrollo y aceptada internacionalmente.

- Es enormemente confiable. El sol es una fuente limpia, inagotable y de ingreso independiente.

- Tiene bajos precios de operación y mantenimiento.

- Es la mejor elección en fuentes de energía renovable para incorporar en el campo urbano y rural.

- En varios casos no tiene piezas móviles.

- Posibilita un diseño modular-fácil de generar e instalar a escala masiva.

- Es una tecnología que posibilita producir empleos y un desarrollo industrial sostenible.

- Es una manera alterna de proporcionar energía a personas sin electricidad en el planeta donde no hay líneas de transmisión.

Las ventajas de la energía solar fotovoltaica son:

- Es la exclusiva que se convierte de forma directa en electricidad.

- No usa agua.

- Es versátil, silenciosa, se instala de forma sencilla, inclusive por piezas, generando energía velozmente y actualmente tiene poco peligro tecnológico.

Al día presente los inconvenientes en el desarrollo de la energía solar a escala tecnológica son:

- Aumentar la eficiencia de conversión de energía en las celdas, debido a que aproximadamente ronda el 25 %.

- Por tratarse de una tecnología subjetivamente nueva, no existe la suficiente cultura y conocimientos en relación con su capacidad e implementación.

- Las instalaciones solares (en parte importante de los casos) no son simples de obtener de manera comercial y a enorme escala.

- El precio inicial de la instalación es elevado si es comparable con una instalación clásico.

- A diferencia de los combustibles fósiles, su uso en el transporte es en la actualidad reducido puesto que no se pudo saciar la demanda de energía de este sector.

La tecnología fotovoltaica de teluro de cadmio (CdTe) explica una tecnología fotovoltaica (PV) que se fundamenta en la utilización de teluro de cadmio en una fina capa semiconductora diseñada para absorber y transformar la luz solar en electricidad. El teluro de cadmio fotovoltaico es la exclusiva tecnología de película delgada con precios más bajos que las celdas solares convencionales desarrolladas de silicio cristalino en sistemas de diversos kw. Desde 2013, sobre la base del periodo de vida, CdTe PV tiene la huella de carbono más pequeña, el menor uso de agua y la época de recuperación de energía más corto de cualquier tecnología fotovoltaica de hoy. La época de recuperación de energía de CdTe de menos de un año posibilita reducciones de carbono más rápidas sin déficits de energía a corto plazo. No obstante, la toxicidad del cadmio es una inquietud ambiental a lo largo de la producción y una vez que se desechan los paneles. Algo de esto podría mitigarse reciclando los módulos de CdTe finalmente de su historia eficaz, debido a que hay incertidumbres con respecto al reciclaje de los módulos de CdTe y la crítica pública todavía es escéptica hacia esta tecnología. La utilización de materiales raros además puede transformarse en un elemento limitante para la escalabilidad industrial de la tecnología CdTe en el futuro a mediano plazo. La copiosidad de telurio, del cual el teluro es la manera aniónica, se compara a la del platino en la corteza terrestre y ayuda de manera significativa al precio del módulo. Los fotovoltaicos CdTe se usan en varias de las centrales fotovoltaicas mayores de todo el mundo, como Topaz Solar Farm. Con una colaboración del 5,1% de la producción fotovoltaica mundial, la tecnología CdTe representó bastante más de medio mercado de película delgada en 2013.

ANTECEDENTES

La conversión o eficiencia fotovoltaica de energía solar es una de las alternativas más interesantes para la generación de energía. Diversos esfuerzos fueron hechos en busca de obtener celdas solares de elevado rendimiento y bajo precio, un sistema interesante para lograrlo es con base en la heteroestructura CdTe/CdS (Zapata et al. 2003). En los temas más interesantes involucrados con la preparación de Celdas Solares se hallan: las técnicas de depósito, la caracterización, precios de producción, cuidados del medio ambiente y eficiencia de conversión. Poniendo hincapié referente a la eficiencia de conversión de energía de una celda solar de un solo gap, en teoría, se expone una eficiencia máxima de 25 % para las celdas en alianza P-N, y de un 30 % como límite elemental para las celdas fundamentadas en Silicio cristalino, dichas eficiencias son consideradas con iluminación de AM1.5G. Por otro lado, para las celdas multigap con las mismas condiciones de iluminación, la eficiencia límite importante suele aumentar hasta un 85% (Garín 2003). Las celdas solares hechas con semiconductores de Teluro de Cadmio (CdTe), tienen un potencial bastante alto de eficiencia comparativamente con otros sistemas. Varios modelos teóricos fueron propuestos para explicar las propiedades corriente -voltaje (J-V) en las celdas solares de CdTe. Crandall desarrolló un modelo para calcular la generación de fotocorriente de transporte cerca del electrodo receptor de radiación y usando la fórmula de coeficiente de eficiencia de Hecht. Los procedimientos de cálculos computacionales muestran una gigantesca trascendencia en el análisis y predicción de características estructurales, eléctricas, ópticas, termodinámicas y construcciones de bandas. Las características de los nuevos materiales semiconductores determinan sus aplicaciones industriales. Entender la conducta de los materiales a grado atómico, permite el diseño y preparación de los procedimientos de construcción de dichas aplicaciones (Martínez et al. 2003). Tenemos la posibilidad de mencionar que dichos cálculos permiten una comprensión exclusiva sobre la conducta de los materiales a grado atómico, con ellos tenemos la posibilidad de analizar las causas que tienen la posibilidad de describir las correlaciones entre características de diversos materiales.

Actualmente se han escrito trabajos involucrados con el asunto, como por ejemplo: Determinación de constantes ópticas y simulación teórica del espectro de transmitancia de películas delgadas de CdS, CdTe y Cd(S,Te) depositadas por evaporación. En este trabajo se hace la caracterización óptica y la simulación teórica de películas delgadas por medio de medidas de transmitancia espectral (Cediel et al. 2002). Realizaron simulaciones computacionales de las características electrónicas del CdS y ZnTe, que dará como consecuencia la conducta electrónica de las celdas solares a base de CdTe y CdS. El programa de simulación molecular hace uso de la Mecánica Cuántica, resolviendo de forma numérica la ecuación de Schrodinger, lo cual se denomina la teoría de los funcionales de la densidad electrónica (DFT, por sus siglas en ingles), en la aproximación de densidad local (LDA), usando el procedimiento Full Potential Linearized Augmented Plane Wave (FP-LAPW) (Martínez et al. 2003). Se conocen ciertos resultados que caracterizaron por difracción de relámpagos X de películas delgadas de CdSx Te1-x, M., donde se reseña el depósito de películas delgadas de CdS y CdTe; en esa película delgada ha sido evaluada la composición cristalográfica mediante difracción de relámpagos X, para conocer la formación de las diversas composiciones (Zapata et al. 2003). En el trabajo Modeling thin-film PV devices, hacen estudios sobre la operación física, planteando un modelo matemático que muestra la exploración de potencia y voltaje de la película delgada (CdTe y CIGS) (Burgelman et al. 2003). En el trabajo Numerical modeling of CIGS and CdTe solar cells: Setting the baseline, se explica un modelo matemático para celdas solares de películas delgadas policristalinas, así como la comparación de los datos experimentales con los datos teóricos logrados, con ello se proponen fronteras de línea de base CIGS y CdTe (Gloeckler 2004). Además, en el trabajo Electronic properties of CdS, CdSe and CdTe semiconductor binary alloys, se hace el cálculo teórico de la energía total de los módulos de CdS, CdSe y CdTe, que fueron validados con los datos experimentales (Jivani et al. 2005). Del mismo modo, se han escrito una enorme proporción de tesis de maestría o doctorado, las más destacadas sobre el asunto son: Numerical simulation of the performance characteristics, instability, and effects band gap grading in cadmium telluride based photovoltaic devices (Petersen, 2001). En esta tesis se hace el análisis del rendimiento de celdas solares de teluro de cadmio basados en dispositivos fotovoltaicos, analizadas por medio de un programa de simulación denominado AMPS-1D, en el cual se hacen variaciones en la composición de dicho dispositivo con el objetivo de mirar las variaciones en la banda prohibida. En la tesis Theoretical modeling of polycrystalline thin-film photovoltaics (Muthuthanthrige, 2008), se muestra el trabajo de simulación teórica de una celda solar CdTe y CIGS, analizando los puntos físicos y tecnológicos que no son adecuados en la preparación de una celda solar de estos materiales. Otro trabajo de tesis es Atmospheric pressure chemical vapor deposition and jet vapor deposition of CdTe for high efficiency thin film PV device (Woods and Meyers, 2000), en este reporte se muestra el depósito de una celda solar de teluro de cadmio con base en la técnica de vapor químico a presión atmosférica, además muestra la simulación de dicho dispositivo en el simulador AMPS-1D.

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