Parámetros de Células Solares y Características de Paneles FV: Guía Completa

Parámetros y Características de una Célula Fotovoltaica

¿Qué es Exactamente una Célula Fotovoltaica Solar?

Una célula solar es un dispositivo semiconductor que puede convertir la radiación solar en electricidad. Su capacidad para convertir la luz solar en electricidad sin una conversión intermedia la hace única para aprovechar la energía solar disponible en electricidad útil. Por eso se llaman células fotovoltaicas solares. La Fig. 1 muestra una célula solar típica.

Varios factores gobiernan la electricidad generada por una célula solar, tales como:

• La intensidad de la luz: Mayor luz solar incidiendo en la célula, más electricidad genera la célula.
• Área de la célula: Al aumentar el área de la célula, la corriente generada por la célula también aumenta.
• El ángulo de incidencia: Si la luz que incide en la célula es perpendicular a su superficie, la potencia generada es óptima. Idealmente, el ángulo debería ser 90°, pero prácticamente debería ser lo más cercano posible a 90°.

La célula solar es un dispositivo de dos terminales: una positiva (ánodo) y la otra negativa (cátodo). Un arreglo de células solares se conoce como módulo solar o panel solar, donde el arreglo de paneles solares se conoce como arreglo fotovoltaico.

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Funcionamiento de una Célula Solar

La luz solar es un grupo de fotones que tienen una cantidad finita de energía. Para la generación de electricidad por la célula, esta debe absorber la energía del fotón. La absorción depende de la energía del fotón y la energía de banda prohibida del material semiconductor solar y se expresa en electron-voltio (eV).

Los fotones son absorbidos por el material semiconductor, lo que resulta en la generación de pares electrón-hueco, donde los electrones son carga negativa y los huecos son carga positiva. Cuando se conecta una carga, hay una separación de electrones y huecos en la unión, los huecos se mueven hacia el lado del ánodo y los electrones hacia el lado del cátodo.

Así, la separación de estas dos cargas crea una diferencia de potencial eléctrico y obtenemos un voltaje a través de los terminales de la célula. Este voltaje se usa para impulsar la corriente en el circuito.

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Parámetros de la Célula Solar

La conversión de luz solar en electricidad está determinada por varios parámetros de una célula solar. Para entender estos parámetros, necesitamos mirar la curva I-V como se muestra en la figura 2 a continuación. La curva se ha trazado basándose en los datos de la tabla 1.

Tabla 1

Amperios	Voltios	Vatios
0	VOC = 11.4	0
0.2	11.06	2.21
0.4	10.59	4.24
0.5	10.24	5.12
0.6	9.54	5.72
0.61	9.39	5.73
IM = 0.62	VM = 9.27	PM = 5.75
0.63	9.08	5.72
0.64	8.72	5.58
ISC = 0.65	0	0

Los parámetros de la célula son dados por los fabricantes en STC (Condiciones Estándar de Prueba). Bajo STC, la radiación solar correspondiente es igual a 1000 W/m² y la temperatura de operación de la célula es igual a 25°C. Los parámetros de la célula solar son los siguientes:

Corriente de Cortocircuito (I_SC):

La corriente de cortocircuito es la corriente máxima producida por la célula solar, medida en amperios (A) o miliamperios (mA). Como se puede ver en la tabla 1 y figura 2, el voltaje de circuito abierto es cero cuando la célula produce corriente máxima (I_SC = 0.65 A).

El valor de la corriente de cortocircuito depende del área de la célula, la radiación solar que incide en la célula, la tecnología de la célula, etc. A veces los fabricantes dan la densidad de corriente en lugar del valor de la corriente. La densidad de corriente se denota por "J" y la densidad de corriente de cortocircuito se denota por "J_SC". La densidad de corriente de cortocircuito se obtiene dividiendo la corriente de cortocircuito por el área de las células solares de la siguiente manera:

J_SC = I_SC / A

Tomemos un ejemplo: una célula solar tiene una densidad de corriente de 40 mA/cm² en STC y un área de 200 cm². Entonces la corriente de cortocircuito se puede determinar de la siguiente manera:

I_SC = Jsc × Área = 40 mA/cm² × 200 cm² = 8000 mA = 8 A

Voltaje de Circuito Abierto (V_OC):

El voltaje de circuito abierto es el voltaje máximo que la célula puede producir bajo condiciones de circuito abierto. Se mide en voltios (V) o milivoltios (mV). Como se puede ver en la tabla 1 y figura 2, la corriente de cortocircuito es igual a cero cuando la célula produce el voltaje máximo. El valor de V_OC depende de la tecnología de la célula y la temperatura de operación de la célula.

Punto de Máxima Potencia (P_M):

El punto de máxima potencia representa la potencia máxima que una célula solar puede producir en STC (es decir, radiancia solar de 1000 W/m² y temperatura de operación de la célula de 25°C). Se mide en W_Pico o simplemente W_p. Fuera de STC, la célula solar tiene P_M en diferentes valores de radiancia y temperatura de operación de la célula.

La célula puede operar en diferentes combinaciones de corriente y voltaje. Pero solo puede producir la potencia máxima P_M en una combinación particular de voltaje y corriente. Como se muestra en la figura 2, el punto de máxima potencia está en la rodilla de la curva I-V y es el producto de I_M y V_M:

P_M = I_M × V_M = 0.62 × 9.27 = 5.75 W_p

Corriente en el Punto de Máxima Potencia (I_M):

Representa la corriente que la célula solar producirá cuando opere en el punto de máxima potencia. Se denota por I_M y se puede ver en la figura 2 que su valor siempre es menor que la corriente de cortocircuito (I_SC). Se mide en amperios (A) o miliamperios (mA).

Voltaje en el Punto de Máxima Potencia (V_M):

Representa el voltaje que la célula solar producirá cuando opere en el punto de máxima potencia. Se denota por V_M y se puede ver en la figura 2 que su valor siempre es menor que el voltaje de circuito abierto (V_OC). Se mide en voltios (V) o milivoltios (mV).

Factor de Llenado (FF):

Representa el área cubierta por el rectángulo I_M-V_M con el área cubierta por el rectángulo I_SC-V_OC como líneas punteadas en la figura 2. El factor de llenado representa la "esquinez" de la curva I-V. Se representa en términos de porcentaje (%), cuanto mayor sea el factor de llenado en porcentaje, mejor es la célula.

FF = P_M / (I_SC × V_OC)

Basándonos en los datos de la tabla 1 y figura 2, podemos determinar el factor de llenado de la siguiente manera:

FF = [5.75 / (0.65 × 11.4)] × 100 = 77.59%

Representado en porcentaje multiplicándolo por 100.

Eficiencia (η):

• La eficiencia de una célula solar se define como la potencia de salida máxima (P_M) dividida por la potencia de entrada (P_IN). Se mide en porcentaje (%), lo que indica que este porcentaje de potencia de luz solar de entrada se convierte en potencia eléctrica. La potencia de entrada es densidad de potencia. Por lo tanto, para calcular la eficiencia, multiplique P_IN en STC por el área. La eficiencia se puede calcular de la siguiente manera:

η = P_M / (P_IN × Área)

Si el área dada de la célula es 0.01 m², P_M = 5.75 W_p, entonces la eficiencia en condiciones de prueba estándar puede darse como:

η = [5.75 W_p / (1000 W/m² × 0.01 m²)] = 57.5%

Representado en porcentaje multiplicándolo por 100.

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Tecnologías Fotovoltaicas

Hay una amplia variedad de células solares disponibles en el mercado; el nombre de la tecnología de la célula solar depende del material utilizado en esa tecnología. Por lo tanto, diferentes células tienen diferentes parámetros de célula como densidad de corriente de cortocircuito, eficiencia, voltaje de circuito abierto, factor de llenado, etc. La siguiente tabla 2 muestra la lista de células disponibles comercialmente y su rango de valores de parámetros.

Tabla 2

Tipo de Célula	Eficiencia (%)	Voltaje Circuito Abierto (V)	Densidad Corriente (mA/cm²)	Área Célula (cm²)	Factor Llenado (FF)
Silicio monocristalino	14 – 17	0.55 – 0.68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
Silicio multicristalino	14 – 16	0.55 – 0.65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
Silicio amorfo	6 – 9	0.70 – 1.1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
Telururo de cadmio	8 – 11	0.80 – 1.0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
Cobre-indio-galio-seleniuro	8 – 11	0.50 – 0.7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
Arseniuro de galio	30 – 35	1.0 – 2.5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

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Factores que Afectan la Potencia Generada por las Células Solares

Eficiencia de Conversión (η):

No toda la luz que incide en la célula solar se convierte en energía eléctrica. La eficiencia de conversión se refiere a la relación entre la energía eléctrica generada y la energía de luz de entrada. No podemos cambiar la eficiencia de la célula, ya que depende del proceso de fabricación y el material utilizado, y su valor permanece fijo.

La potencia máxima de la célula solar P_M depende del voltaje que desarrolla a través de los terminales de la célula y la corriente que puede suministrar. El área de la célula es uno de los factores importantes que afectan la potencia de salida desarrollada por la célula. El valor de la potencia de salida se puede determinar para una potencia de entrada dada en (W/m²), eficiencia de conversión de la célula en (%), y área de la célula en (m²).

La eficiencia de la célula solar se da bajo STC y la potencia de entrada (P_IN) se toma como 1000 W/m². Así, usando la fórmula dada a continuación, podemos determinar la potencia de salida generada para diferentes eficiencias.

P_M = (P_IN × Área) × η

Digamos que tenemos que calcular la potencia de salida en STC con eficiencias del 30% y 25% y un área de 0.01 m². Así, para eficiencia del 30% obtenemos:

P_M = (1000 W/m² × 0.01 m²) × 0.30 = 3 W_p

Y para eficiencia del 25% obtenemos:

P_M = (1000 W/m² × 0.01 m²) × 0.25 = 2.5 W_p

Cantidad de Luz de Entrada:

La intensidad de luz que incide en la célula sigue cambiando durante el día. Dependiendo de la luz que incide en la célula, la corriente y el voltaje de la célula cambian. La corriente generada por la célula depende directamente de la luz que incide en ella.

Desde la mañana hasta la tarde, la luz que incide en la célula aumenta, por lo que la corriente generada por la célula también aumenta. Desde la tarde hasta el atardecer, la luz que incide en la célula disminuye, por lo que la corriente generada por la célula también disminuye. No hay una variación mayor en el voltaje de salida de la célula ya que no se ve afectado por la variación de la luz solar.

Digamos que tenemos que calcular la potencia de salida para una célula con un área de 0.01 m² para una potencia de entrada de 1000 W/m² y 800 W/m² con una eficiencia del 25%. Así, para una potencia de entrada de 1000 W/m² obtenemos la potencia de salida de la siguiente manera:

P_M = (1000 W/m² × 0.01 m²) × 0.25 = 2.5 W_p

Y para una potencia de entrada de 800 W/m²:

P_M = (800 W/m² × 0.01 m²) × 0.25 = 2 W_p

Como podemos ver, hay una disminución en la potencia de salida debido a una disminución en la potencia de entrada. Así, la cantidad de potencia generada por la célula es proporcional a la luz solar.

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Área de la Célula:

La corriente de cortocircuito de la célula solar depende del área de la célula. La corriente de salida es directamente proporcional al área de la célula. Mayor el área de la célula, mayor la cantidad de corriente generada y viceversa. Por ejemplo, un área de 200 cm² producirá 2 A de corriente y un área de 200 cm² producirá 4 A de corriente para la misma irradiancia de 1000 W/m².

Como vimos antes, la densidad de corriente se obtiene dividiendo la corriente por el área de la célula. La densidad de corriente (J_SC) es fija para una intensidad de luz solar dada y no depende del área. Tomemos un ejemplo donde tenemos que calcular la corriente de salida de la célula solar con un área de 20 cm² y 50 cm².

Teniendo una densidad de corriente constante de 35 mA/m². La corriente de salida para 20 cm² se puede calcular de la siguiente manera:

I_SC = J_SC × Área = 35 mA/m² × 20 cm² = 0.70 A

La corriente de salida para 50 cm² se puede calcular de la siguiente manera:

I_SC = J_SC × Área = 35 mA/m² × 50 cm² = 1.75 A

Así, a partir del cálculo anterior, está claro que cuanto mayor es el área de la célula, mayor es el valor de la corriente y cuanto menor es el área de la célula, menor es el valor de la corriente.

Ángulo de la Luz (θ):

La célula solar produce la máxima potencia de salida para la luz solar dada cuando el ángulo de la luz y la célula son perpendiculares entre sí (es decir, 90°) como se muestra en la figura 3. Cuando el ángulo de incidencia de la luz es menor o mayor que 90° como se muestra en la figura 3, producirá una potencia de salida menor que la capacidad máxima de potencia de salida de la célula.

Cuando la luz incide en un ángulo mayor o menor que 90°, parte de la luz se refleja, y la luz utilizada por la célula es menor que la que realmente incide en ella. Esto resulta en una reducción de la potencia de salida generada por la célula. Es por esta razón que debemos instalar la célula solar en un ángulo perpendicular a la luz incidente para generar la máxima electricidad posible.

Temperatura de Operación (T):

Los fabricantes proporcionan la valoración de voltaje, corriente y potencia de la célula en STC con irradiancia de 1000 W/m² y temperatura de 25°C. Pero en la práctica, la temperatura de la célula solar varía debido a la temperatura ambiente y además las células están encerradas en vidrio, lo que hace que la temperatura de la célula solar aumente aún más.

Este cambio de temperatura afecta el voltaje, la potencia y la eficiencia de la célula; el aumento de la temperatura de la célula por encima del STC reduce la salida de estos parámetros. La disminución de estos parámetros difiere para diferentes células solares disponibles en el mercado.

Tomemos un ejemplo para entender la disminución en uno de los parámetros (es decir, voltaje). Una célula tiene un voltaje de salida de 0.9 V en STC. La temperatura de operación de la célula es 50°C. El voltaje de salida de la célula disminuye en 2.1 mV/°C. ¿Cuál puede ser el nuevo valor del voltaje de salida?

ΔT = T_actual – T_estándar = 50 – 25 = 25°C

El voltaje de salida reducido = Voltaje de circuito abierto (V_OC) en STC – (Disminución de voltaje × ΔT) = 0.9 – (2.1 × 10⁻³ × 25) = 0.84 V

A partir del cálculo anterior, se puede concluir que hay una disminución en el voltaje de salida si la temperatura sube por encima del STC (es decir, por encima de 25°C).

Conclusión

Gracias al desarrollo en la tecnología de semiconductores, podemos convertir la abundante luz solar en electricidad. En este artículo estudiamos el funcionamiento de la célula solar, diferentes tipos de células, sus diversos parámetros como voltaje de circuito abierto, corriente de cortocircuito, etc., que nos ayudan a entender las características de la célula. También se estudiaron los factores que afectan la potencia generada por la célula, incluyendo la eficiencia de conversión de potencia, cantidad de luz de entrada, área de la célula, etc., que afectan el rendimiento y nos ayudan a entender el comportamiento de la célula bajo diferentes escenarios. Con la comprensión de la tecnología de células solares, podemos utilizarla de la mejor manera posible para satisfacer nuestros requerimientos energéticos diarios.