Optimización y caracterización eléctrica de módulos PV de tecnología de lámina delgada de silicio amorfo

Resumo

La tecnología fotovoltaica es una de las alternativas más viables y eficaces para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y así lo ratifica la evolución de la producción de módulos fotovoltaicos en la última década con tasas anuales de crecimiento entre el 40 % y el 90 %. Además de la tecnología predominante de silicio cristalino, en los últimos años despertó un gran interés a nivel industrial la tecnología de lámina delgada y en particular los módulos de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) gracias a que presenta unos costes de fabricación y un retorno energético mucho menores que el resto de tecnologías fotovoltaicas. El principal inconveniente del a-Si:H es la baja eficiencia que presentan los módulos debido principalmente al proceso de degradación que sufren los parámetros eléctricos durante las primeras horas de iluminación. Reducir esta degradación y optimizar el proceso de deposición de las capas de a-Si:H son los dos campos donde se están realizando los mayores esfuerzos en investigación para incrementar el rendimiento de los módulos. En este trabajo se ha desarrollado una estación de medida (Outdoor test station) de módulos fotovoltaicos en condiciones ambientales. Esta estación nos ha permitido realizar una caracterización detallada de todos los parámetros eléctricos que influyen en el rendimiento de un módulo y entender mejor su comportamiento ante diferentes condiciones climáticas. Existen varios factores que afectan en el rendimiento de los módulos fotovoltaicos de cualquier tecnología: el nivel de irradiancia, la temperatura de operación del módulo, el espectro solar, el ángulo de incidencia de la luz, etc, que se pueden clasificar como factores a corto plazo ya que tienen una afectación inmediata en la medida de rendimiento. En el caso de los módulos de a-Si:H, existen otros factores a largo plazo como por ejemplo la historia térmica del módulo que produce cambios en las propiedades del material y por tanto en sus propiedades eléctricas. La combinación de estos factores produce una fluctuación estacional de los parámetros eléctricos característica de los módulos de a-Si:H expuestos a condiciones ambientales. Para nuestra localización en Orense, las fluctuaciones dan lugar a una variación en el rendimiento eléctrico del módulo a lo largo del año del 19 % (± 9,5 %) en torno a un valor medio anual con un mínimo en enero y un máximo a mediados de julio. La principal contribución a esta oscilación del rendimiento eléctrico de los módulos de a-Si:H vienen dada por la variación espectral con una amplitud de 5,5 %. El efecto térmico que sufre el material tiene una influencia ligeramente menor con una amplitud del 4 %. Se ha desarrollado un modelo que nos permite realizar y analizar medidas independientes del tiempo a lo largo del año y por lo tanto podemos comparar estudios, como por ejemplo módulos con diferentes condiciones de depósito de las capas de a-Si:H, que fueron medidos en nuestra estación en diferentes épocas del año. También se presentan los estándares y procedimientos de medida que se utilizan para evaluar el rendimiento eléctrico de los módulos tanto para unas condiciones de medida determinadas (STC, NOCT y LIP) como directamente en el campo (PR). Los resultados alcanzados en este trabajo muestran que el comportamiento eléctrico que caracteriza los módulos de a-Si:H (regeneración del material con altas temperaturas y coeficientes de temperatura pequeños en comparación con otras tecnologías) lo hacen una opción muy adecuada para huertos solares instalados en zonas con climas cálidos y con altas irradiaciones. Además de la estación Outdoor test station, se desarrolló otra estación para degradar módulos bajo exposición a luz artificial con condiciones de irradiancia y temperatura controladas que permite obtener los parámetros eléctricos estabilizados en un tiempo reducido. El proceso de degradación que sufren las características eléctricas de los módulos de a-Si:H al ser iluminados se conoce como efecto Staebler-Wronski (ESW) en reconocimiento a sus descubridores. Este efecto depende fundamentalmente de la energía incidente en el módulo y de su temperatura de operación. La degradación de la potencia que puede generar el módulo es mayor durante las primeras horas de exposición y tras varios cientos de horas a aproximadamente 1000 W/m2 se produce una saturación de forma que las características eléctricas del módulo ya no se reducen más por este efecto. Este comportamiento del a-Si:H hace que los estudios de degradación se vuelvan un proceso crucial para desarrollar y optimizar la tecnología. Se presentan los resultados obtenidos en algunos de los estudios de degradación realizados en los últimos años que contribuyeron a reducir el coeficiente de degradación de un 20 % a un 13 %, a incrementar el rendimiento de los módulos y a mejorar consecuentemente la productividad de la línea de fabricación. La posibilidad de utilizar el silicio amorfo hidrogenado en la producción de módulos fotovoltaicos a escala industrial también despertó un gran interés en modelar y entender los procesos electrónicos que ocurren en los dispositivos fabricados con este material. Debido a la complejidad de los fenómenos físicos involucrados se convirtió en una necesidad utilizar la simulación numérica para resolver las ecuaciones fundamentales que describen el funcionamiento de estos dispositivos. La aplicación de modelos cada vez más realistas de las células solares de a-Si:H nos ayuda a entender los procesos que caracterizan la operación del dispositivo así como los mecanismos que limitan su rendimiento. Por lo tanto, la simulación de células solares se convierte en una herramienta indispensable en el desarrollo de la tecnología de a-Si:H, ya que permite incrementar el rendimiento de los módulos y también reducir los costes de fabricación. Se desarrolló un modelo con el software Sentaurus TCAD que permite analizar y optimizar dispositivos semiconductores fabricados con diferentes materiales. Se presentan los resultados obtenidos en la simulación de una célula solar de a-Si:H y se comparan con las medidas experimentales de células y módulos fabricados en nuestra línea de producción. La simulación de una estructura básica de una célula de a-Si:H como la desarrollada en este trabajo nos ha permitido obtener unos resultados que facilitan la optimización del diseño de experimentos y por lo tanto incrementar el rendimiento de los módulos con un menor coste en la fabricación de paneles de pruebas. Por otra parte también se optimizaron los principales procesos de fabricación de los módulos así como todos los controles de calidad dentro y fuera de línea realizados para asegurar el alto rendimiento de los módulos al final de la línea de producción. En lo que se refiere al rendimiento eléctrico del módulo, tienen gran importancia los procesos de fabricación relacionados con la formación de la estructura p-i-n de a-Si:H y en particular el proceso de deposición química en fase vapor activado por plasma (PECVD). Como prueba de la alta fiabilidad de nuestros procesos de producción y del plan de control de calidad del dispositivo, en el año 2012 solamente el 0,12 % de los módulos que alcanzaron el simulador solar presentaron bajo rendimiento eléctrico. Las diferentes herramientas de control de calidad también se utilizaron para optimizar los procesos y mejorar las propiedades eléctricas y ópticas del material. A partir del trabajo realizado en mejorar la caracterización eléctrica de los módulos, en desarrollar herramientas de simulación de células solares de a-Si:H y en optimizar el proceso PECVD hemos obtenido un incremento continuo en la eficiencia estabilizada de nuestros módulos desde aproximadamente un 6 % hasta un 7,3 % en los últimos años. En módulos de I+D, hemos alcanzado eficiencias del 7,95 % lo que equivale a una potencia estabilizada de 455 W en módulos tamaño full. También destacar que se ha logrado incrementar el throughput de la línea desde los 17 paneles/hora en el año 2009 hasta los 22 paneles/hora en el 2012. Esta mejora en el throughput sumado a la evolución de la eficiencia de los módulos ha dado lugar a una mejora en la capacidad de producción anualizada de la fábrica desde los 33 MW hasta los 72 MW en los últimos cuatro años.