Diseño óptico y eléctrico de celdas solares basadas en CuInxGa1-xSe2 (CIGS)

Diseño óptico y eléctrico de celdas solares basadas en CuInxGa1-xSe2 (CIGS)

Santiago Torres Jaramillo

Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales

Índice

1. Presentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2. Introducción: área problémica. . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3. Antecedentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5

4. Problema de investigación. . . . . . . . . . . . . . . .  . . .  7

4.1. Problema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.2. Pregunta de investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.3. Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.3.1. Objetivo general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.3.2. Objetivos específicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

4.4. Justificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5. Tópicos del referente teórico. . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

6. Esbozo de la metodología. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

6.1. Esbozo del plan de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

7. Cronograma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

8. Presupuesto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  13

Referencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  14

1. Presentación

En la presente investigación, se realizará un estudio teórico de celdas solares basadas en CuInxGa1-xSe2; para ello, se hará un análisis de parámetros ópticos y eléctricos de la capa absorbente CIGS, variando la estequiometría y su espesor. Con el fin de obtener resultados, que permitan optimizar este tipo de celdas solares. Se contará con la codirección del profesor Arturo Morales Acevedo y la participación del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV) de México; para lo cual se hace necesaria una pasantía de dos meses.

1. Introducción: área problémica

Con el incremento y alta demanda de energía a nivel mundial ha surgido un creciente interés por las energías alternativas y renovables, dentro de las que se destaca la energía solar, la cual está estrechamente relacionada con el estudio y producción de semiconductores y celdas solares; donde la fabricación de estas ha pasado por un gran número de mejoras, considerando aspectos tecnológicos y económicos.

La primera generación de celdas solares se basó en mono cristales de silicio, las cuales tenían un costo elevado de producción, donde la eficiencia de conversión en las últimas décadas se encuentra entre un 20-27% [1]. La aplicación de silicio policristalino y otras formas de silicio, ha reducido los costos a expensas de la eficiencia de conversión, por lo cual han surgido investigaciones en reducción de costos y mejoras en eficiencias de celdas solares; a causa de esto se han llevado al mercado módulos con una eficiencia de conversión solar entre el

12-16%.

La segunda generación de celdas solares, se basó en la tecnología de películas delgadas, fabricadas a partir de silicio amorfo y telurio de Cadmio y seleniuro de Cobre-Indio-Galio (CIGS). Por otra parte, la tercera generación se basó en nanocristales, materiales porosos y los materiales de los grupos III-V de la tabla periódica, los cuales permiten crear multiuniones. Por último, la cuarta generación de celdas solares es basada en materiales orgánicos, con tintes sensibilizados y a base de perovskitas [2].

Algunos de los materiales más usados, cuando a celdas solares de segunda generación nos referimos son los comúnmente llamados CIS y CIGS, los cuales han sido obtenidos por diferentes técnicas de preparación de tipo físico y químico, y con los que se han alcanzado eficiencias hasta del 21;7% [3]. El semiconductor o capa absorbente (CIGS) con estructura de calcopirita y ancho de banda entre 1.0-1.7 eV es bien conocido por su gran estabilidad térmica y alto coeficiente de absorción óptico [4, 5]. La ventaja de estos materiales es su menor costo de producción y las altas eficiencias que han sido reportadas en los últimos años a nivel de laboratorio [6, 7].

Algunas de las propiedades o parámetros más investigados para aplicaciones en celdas solares son: La estructura cristalina, la foto corriente generada por la celda solar bajo iluminación, la eficiencia cuántica, la reflectancia y transmitancia total del sistema de capas de la celda solar, el voltaje en circuito abierto, el factor de llenado y la eficiencia. Estas cantidades mencionadas de manera general, son la clave para determinar el rendimiento de cualquier celda solar y han sido utilizadas en diversos trabajos de investigación actuales [8, 9, 10, 11].

1. Antecedentes

La primera celda solar, fue creada y analizada en 1839 por Alexandre Edmond Becquerel, en el laboratorio de su padre. La celda solar constaba de dos electrodos en una solución ácida, separados por una membrana delgada; de allí iluminó uno de los electrodos y pudo observar, una generación significativa de electricidad, cuando estos se recubrieron con AgCl o AgBr [12]. Algunos efectos similares, fueron observados por Adams y Day en 1876 y por Lange en 1930 utilizando Selenio [13, 14]; de igual modo Shottky y Grondahl hicieron su aporte con óxido cuproso [15, 16]. Por otra parte, en los años 40 y 50 se construyeron las primeras celdas solares basadas en silicio, germanio y GaAs [17].

Existen cuatro generaciones de celdas solares: la primera se basó en mono cristales de silicio, que solían ser bastante costosas por la producción de este material. La segunda generación, se basó en películas delgadas de algunos materiales que resultaban ser menos costosos en su producción y llegaban a poseer buenas eficiencias de conversión, entre los cuales se destaca CIGS. La tercera generación, se basó en la construcción de multiuniones de nanomateriales basados en elementos III-V de la tabla periódica. Finalmente, la cuarta generación es basada en materiales orgánicos, puntos cuánticos y perovskitas [18].

Con la revolucionaria aparición y funcionamiento de las celdas solares, surgieron varios reportes para el diseño de estos dispositivos, basados en principios termodinámicos, electrónicos, cuánticos y estadísticos; en donde se empezaron a variar parámetros y a realizar consideraciones, para encontrar un límite en la eficiencia de conversión de la luz incidente en energía eléctrica. De manera que, los cálculos teóricos realizados por Shockley y Queisser en los años 60 con las consideraciones más aproximadas a la realidad, dan como resultado una eficiencia límite teórica del 33% para una celda solar tipo p-n [19]. Mientras que en los años 80, se asumieron infinitas multiuniones de celdas solares y el uso de concentradores ópticos, y se llegó a un límite de 86.8% de eficiencia de conversión [20].

Uno de los materiales más estudiados para la fabricación de celdas solares, es CIGS; el cual ha sido utilizado en película delgada y empleado como capa absorbente en estos dispositivos. Está compuesto por dos semiconductores ternarios CuInSe2 y CuGaSe2 con anchos de banda entre 1.0 y 1.7 eV a 300 K, respectivamente [21]. Posee un gran coeficiente de absorción (10^5cm^-1), el cual permite el uso de capas delgadas de 1-3 µm, para aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos. Al tener una gran estabilidad térmica, las celdas solares basadas en CIGS también presentan esta característica, siendo así un material bastante atractivo para el desarrollo de este tipo de tecnología [4, 5].

Las celdas solares basadas en CIGS han alcanzado eficiencias cercanas al 22% a escala de laboratorio [3], logrando así un enorme posicionamiento frente a otro tipo de materiales con los cuales se fabrican este tipo de dispositivos. De manera que, algunos estudios teóricos han demostrado cómo se pueden optimizar las celdas solares basadas en CIGS, utilizando capas absorbentes ultra delgadas de aproximadamente 300nm de espesor. En donde se muestran posibles acercamientos para mejorar la relación costo-eficiencia, al utilizar menor cantidad de material como capa absorbente y obteniendo buenas eficiencias de conversión relativas [22].

1. Problema de investigación

1. Problema

La optimización de los parámetros de celdas solares basados en modelos teóricos, se han convertido en una poderosa herramienta, ya que permite la rápida evaluación de los elementos y materiales que conforman la celda solar [23, 24, 25, 26]. Por lo cual en la última década, un gran número de artículos sobre el modelado de celdas solares en películas delgadas ha sido reportado [27], específicamente para celdas solares CIGS, donde la eficiencia a nivel de laboratorio se encuentra alrededor del 22% y la eficiencia en módulo es aproximadamente del 17% [3, 28, 29]. Sin embargo, aún hay un margen de mejora de la eficiencia, mediante la optimización de parámetros como el óxido conductor transparente (TCO) y el espesor de la capa CIGS [19, 20].

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