Análisis por simulación del comportamiento térmico y eléctrico de una celda solar fotovoltaica de estructura tipo pin de silicio amorfo utilizando el software Comsol Multiphysiscs | Analysis by simulation of the thermal and electrical behavior of a photovoltaic solar cell with an amorphous silicon pin-type structure using the Comsol Multiphysiscs software

En el campo de la producción de energía, la fotovoltaica es la energía renovable que más creció en los últimos 6 años. Si bien la mayor proporción de paneles solares instalados hasta el momento es de silicio monocristalino y policristalino, existe una tendencia a diversificar los materiales semiconductores utilizados en la fabricación. Se buscan menores costos de fabricación y requerimientos sobre materiales para disminuir precios y así hacer altamente competitiva la generación fotovoltaica. Por ello, las celdas solares de lámina delgada (thin film), con un espesor dos órdenes de magnitud menor que las tecnologías tradicionales, reciben interés por parte de la comunidad científica para su desarrollo, y de la industria para su fabricación a gran escala. Dentro de las tecnologías de capa delgada, las celdas de silicio amorfo (a-Si) presentan amplias ventajas, de las que se destacan un coeficiente de absorción óptica mucho mayor a las tecnologías clásicas, unas 40 veces mayor esto tiene un efecto mucho mayor en la producción energética en zonas donde se tiene una mayor presencia de nubosidad, además de que el a-Si puede ser depositado sobre prácticamente cualquier sustrato permitiendo incluso flexibilidad y las temperaturas de fabricación no sobrepasan los 200 C en comparación a los 1000 C de las celdas monocrostalinas repercutiendo directamente en costos de fabricación menores. Sin embargo, aún resulta necesario obtener información cuantitativa precisa de los parámetros eléctricos, electrónicos y térmicos de la celda de (a-Si) que permitan encontrar estrategias superadoras para su diseño y preparación. Comúnmente los parámetros electrónicos típicos de las celdas solares se extraen mediante interpretación de curvas V-I de circuitos equivalentes y las características térmicas del material se analizan por separado. Asimismo en la bibliografía especializada no se encuentran estudios de celdas de a-Si donde se integren las dos físicas (eléctrica y térmica) en presencia de luz solar. Esto cobra importancia a la hora de determinar los parámetros que afectan el desempeño de la celda (espesores de capa, temperatura, sombras) los cuales pueden ser mejorados para lograr tecnologías más eficientes, confiables y económicas. Para lo cual en el presente estudio se modela y simula en 2D el comportamiento eléctrico y térmico de los semiconductores de una celda solar fotovoltaica de a-Si en presencia de luz solar con múltiples reflexiones a fin de determinar los parámetros que afecten el desempeño de la celda.

INTRODUCCIÓN 12 OBJETIVOS 13 1. Objetivo General: 13 2. Resultados Esperados: 13 CAPÍTULO 1 14 MARCO TEÓRICO 14 1.1. Energía Solar 14 1.2. El sol como fuente energética 15 1.2.1 Radiación Solar Disponible 16 1.2.2. Constante Solar 18 1.3. Aplicaciones y Ventajas de la Energía Solar 19 1.4. Descripción de Sistemas Fotovoltaicos 21 1.4.1. Sistemas Aislados 22 1.4.2. Sistema de conexión a red 23 1.4.3. Sistemas Híbridos 24 1.5. PANELES FOTOVOLTAICOS 25 1.5.1. Partes de un Panel Fotovoltaico 26 1.5.2. Tipos de Celdas Fotovoltaicas 27 1.5.3. Curvas Características 29 1.6. MATERIALES SEMICONDUCTORES 32 1.6.1. Enlace Covalente y Materiales Intrínsecos 32 1.6.2. Niveles de Energía 34 1.6.3. Materiales Extrínsecos: Materiales tipo n y tipo p 36 1.6.4. Flujo de Electrones Contra Flujo de Huecos 38 1.6.5. Unión PN en Celdas Solares 39 1.7. CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO 40 1.7.1. Ventajas y Desventajas 40 1.7.2. Unión P-I-N 42 1.7.3. Efecto de la Temperatura en Celdas Fotovoltaicas 43 1.8. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS 46 1.8.1. Conceptos Generales del Método 47 CAPÍTULO 2 49 ESTADO DEL ARTE 49 2.1. MODELOS ELECTRICOS DE CELDAS SOLARES 49 2.1.1. El Modelo de Merten-Asensi 51 2.2. Modelos de Física de Semiconductores 53 2.2.1. Ecuaciones Electrostáticas 53 2.2.2. Ecuaciones de Densidad de Corriente 54 2.2.3. Ecuaciones de Continuidad 55 2.3. MODELOS TÉRMICOS DE CELDAS SOLARES 56 2.3.1. Propiedades térmicas de Celdas Solares 57 CAPÍTULO 3 59 METODOLOGÍA 59 3.1. Metodología de Simulación en COMSOL Multiphysics 59 3.1.1. Estudio de Luz 61 3.1.2. Ecuaciones de Fresnel 62 3.1.3. Modelo de Drift-Diffusion en Condiciones de Equilibrio 66 3.1.4. Modelo de Drift-Diffusion en Condiciones Fuera de Equilibrio 70 3.2. Desarrollo de la Simulación 72 3.2.1. Parámetros Globales de Simulación 72 3.2.2. Índice de Refracción del Silicio 74 3.2.3. Perfil de Dopaje de la celda tipo PIN 75 3.2.4. Mallado 76 3.2.5. Parámetros dependientes de la Temperatura 77 3.2.6. Parámetros de Convergencia 79 CAPÍTULO 4 80 RESULTADOS 80 4.1. Resultados Estudio 1 - Luz 80 4.1.2. Resultados Estudio 1 – Luz (Variación de la longitud de Onda) 82 4.2. Resultados Estudio 2 – Electrostática en equilibrio 84 4.2.1. Resultados Estudio 2 – Electrostática en equilibrio con variación de la Temperatura 86 4.3. Resultados Estudio 3 – Electrostática fuera de Equilibrio 87 4.3.1. Resultados Estudio 3 – Electrostática fuera de Equilibrio con variación en la Temperatura. 90 CAPÍTULO 5 93 CONCLUSIONES 93 Bibliografía 94

Pregrado

In the field of energy production, photovoltaics is the renewable energy that has grown the most in the last 6 years. Although the largest proportion of solar panels installed so far is monocrystalline and polycrystalline silicon, there is a trend to diversify the semiconductor materials used in manufacturing. Lower manufacturing costs and material requirements are sought to lower prices and thus make photovoltaic generation highly competitive. For this reason, thin film solar cells, with a thickness two orders of magnitude less than traditional technologies, are receiving interest from the scientific community for their development, and from industry for their large-scale manufacturing. Within thin-film technologies, amorphous silicon cells (a-Si) have many advantages, of which a much higher optical absorption coefficient than classical technologies stands out, about 40 times higher, this has a much greater effect on energy production in areas where there is a greater presence of cloudiness, in addition to the fact that a-Si can be deposited on practically any substrate, even allowing flexibility and manufacturing temperatures do not exceed 200 C compared to 1000 C of the cells monocrostalines directly impacting lower manufacturing costs. However, it is still necessary to obtain accurate quantitative information on the electrical, electronic and thermal parameters of the (a-Si) cell in order to find better strategies for its design and preparation. Commonly the typical electronic parameters of solar cells are extracted by interpretation of V-I curves of equivalent circuits and the thermal characteristics of the material are analyzed separately. Also in the specialized bibliography there are no studies of a-Si cells where the two physics (electrical and thermal) are integrated in the presence of sunlight. This becomes important when determining the parameters that affect cell performance (layer thickness, temperature, shadows) which can be improved to achieve more efficient, reliable and economical technologies. For which in the present study, the electrical and thermal behavior of the semiconductors of an a-Si photovoltaic solar cell in the presence of sunlight with multiple reflections is modeled and simulated in 2D in order to determine the parameters that affect the performance of the photovoltaic cell. cell.

Modalidad Presencial