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

Abstract

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.