Las celdas solares se analizan mediante curva J-V (corriente vs voltaje), en esta caracterización se aplica un barrido de potencial en las terminales de la celda solar. Al aplicar el potencial se promueve la inyección de portadores de carga al sistema (dentro de la celda solar). Cuando el barrido de potencial es positivo (forward bias) se crea un aumento exponencial de la densidad de corriente (J) una vez que se supera el voltaje de umbral característico de la celda solar (Vknee).
En el siguiente video puedes observar la importancia de análizar la resistencia serie en una celda solar de heterounión AgSbS2/CdS, un diodo comercial de silicio 1N4007 y de una celda solar de CdS/CdTe simulada mediante el software SCAPS-1D con variación de resistencia serie (Rs).
Análisis de curva JV en obscuridad: CdS/CdTe
En la Fig. 1 se puede muestra la curva J-V en obscuridad de una celda solar CdS/CdTe simulada mediante el software SCAPS-1D. En esta grafica podemos observar una variación de resistencia serie (Rs) de 0-100 Ω cm2 en un barrido de potencial (forward bias) de 0 V < Voltaje < 1 V .
a) Resistencia serie (Rs)
Una celda solar suele analizarse mediante el modelo de difusión de Shockley (1 diodo). Este modelo esta representado por la siguiente ecuación no lineal y diagrama eléctrico equivalente.
De la ecuación no lineal (I [mA] o J [mA/cm2]) podemos observar los siguientes parámetros:
- Rs = resistencia serie
- Rp = resistencia paralelo
- n = constante de idealidad del diodo
- Io = corriente de saturación
- kBT = Energía térmica (26 meV , T = 300 K)
De entre estos parámetros la resistencia interna de una celda solar puede separase en resistencia serie y resistencia paralelo. En la Fig 1, podemos observar que la variación de Rs influye en la pendiente de la región exponencial. Para celdas solares se busca que la resistencia serie tenga un valor pequeño. Esto quiere decir que experimentalmente debemos fabricar celdas solares con Rs < 1 Ω cm2. (Nota: Observa el video, donde se muestran las Rs típicas de celdas solares CIGS con eficiencias de conversión de hasta 19%).
b) Resistencia paralelo (Rp)
En el presente análisis (Curvas JV simuladas en SCAPS-1D) consideramos una resistencia paralelo muy grande (Rp -> ∞) para que no existan fugas de corriente, ver Fig.1. En el video puedes observar que para obtener celdas solares de CIGS de alta eficiencia es necesario obtener una relación mayor a 1:1000 entre Rs:Rp para lograr celdas solares de alta eficiencia. Observa la siguiente imagen sobre la relación de Rs y Rp.
De acuerdo a la tabla siguiente (Comparación de parámetros de celdas solares CIGS) podemos observar que la resistencia en paralelo presenta valores Rp > 1 kΩ cm2. Ademas, en la siguiente imagen se puede observar que la resistencia paralelo (Rp) depende directamente de la cristalinidad del material absorbedor (CIGS) .
c) Voltaje de umbral (Vknee)
En la curva J-V en obscuridad se puede observar que la celda solar CdS/CdTe presenta un voltaje de umbral entre 0.6 volts y 0.7 volts. Ya que es en esta región, donde se observa el aumento exponencial de densidad de corriente (J).
- El voltaje de umbral coincide con el potencial interno de una celda solar. Por lo tanto existe una relación directa entre VKnee y Vbi. Esto quiere decir que a mayor voltaje de umbral caracterizado mediante la curva J-V en obscuridad podremos identificar un mejor Vbi (built-in voltage) de nuestra celda solar.
Conclusión
- Es importante caracterizar una celda solar de heterounión para obtener valores de resistencia interna. Tanto Rs como Rp
- La medición en obscuridad (Dark-JV) es de gran utilidad para estimar el valor de la constante de idealidad del diodo, corriente de saturación, resistencia serie, resistencia paralelo y el voltaje de umbral.
- El voltaje de umbral tiene relación directa con el voltaje interno (Vbi) de la unión.
- En el video podemos concluir que contamos con la capacidad de estimar la resistencia serie de curva IV de heterouniones simuladas en SCAPS-1D de CdS/CdTe, heterouniones experimentales AgSb(S,Se)2/CdS y de homouniones en diodos de silicio comerciales: Diodo 1N4007.
- La medición de curvas JV experimentales se realizo con el equipo µSMU.
Bibliografía
- A. Kaminski et al. New method of parameters extraction from dark I-V curve, in: Conference Record of the Twenty Sixth IEEE Photovoltaic Specialists Conference – 1997, IEEE, Anaheim, CA, USA, 1997: pp. 203–206. https://doi.org/10.1109/PVSC.1997.654064
- J. Capistrán-Martínez et al., Theoretical evaluation of emerging Cd-free Cu3BiS3 based solar cells using experimental data of chemically deposited Cu3BiS3 thin films, Journal of Alloys and Compounds. 867 (2021) 159156. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159156
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