La inclinación hacia las energías renovables aumenta día a día, tanto a nivel mundial como nacional. Las Plantas de Energía Solar (SPP) tienen una gran importancia y cuota de mercado en términos de energía renovable. En este campo, se están realizando numerosos planes de inversión destinados a la producción de lingotes y obleas de silicio, células y módulos fotovoltaicos.
Los usuarios de SPP monitorizan la conversión de energía solar en energía eléctrica, es decir, el rendimiento de producción de la planta. El monitoreo del rendimiento generalmente se basa en el Índice de Rendimiento (PR) incluido en los sistemas de monitoreo, y su cálculo preciso es fundamental para el monitoreo de la producción de energía. Los sensores de irradiancia desempeñan un papel fundamental en la medición de la cantidad de radiación solar que reciben los paneles fotovoltaicos. Con la ayuda de estos sensores, los datos relacionados con la intensidad de la luz solar son cruciales para monitorear y optimizar el rendimiento de los sistemas de energía solar, contribuyendo significativamente a las evaluaciones de eficiencia y la gestión del sistema. Para garantizar la confiabilidad de estos sensores, es fundamental utilizar celdas de referencia estables con características bien caracterizadas.
SEVEN Sensor Solutions es un fabricante de Piranómetros Fotovoltaicos, también conocidos como Sensores de irradiancia de celdas de referencia, los cuales permiten medir con la máxima precisión el valor de radiación que afecta directamente la eficiencia de la instalación. Las celdas solares utilizadas en estos sensores tienen una estructura idéntica a las que se encuentran en el campo y están miniaturizadas. Por lo tanto, la radiación que llega a los paneles solares se mide mediante una célula solar con la misma estructura.
La fiabilidad de las celdas solares utilizadas en los sensores de irradiancia afecta directamente la precisión del valor PR (Coeficiente de Rendimiento). Esto significa que la celda debe mantener su estabilidad y realizar mediciones precisas durante un largo periodo en condiciones naturales de campo. SEVEN Sensor Solutions colabora con METU-GÜNAM en la producción de celdas. Gracias a este trabajo conjunto, METU-GÜNAM produce celdas solares que mantienen su estabilidad a largo plazo y permiten la medición más precisa en su infraestructura de investigación y producción.
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Las celdas fotovoltaicas (FV), comúnmente conocidas como células solares, son dispositivos semiconductores que convierten la luz solar directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Este fenómeno se basa en la interacción entre fotones y materiales semiconductores, lo que genera el flujo de corriente eléctrica. Existen numerosos tipos de células fotovoltaicas, según los materiales y diseños con los que se fabrican. En este contexto, es fundamental elegir el tipo de célula que ofrezca el rendimiento más eficiente según el campo de aplicación. Si bien existen diversos tipos de células de referencia disponibles en el mercado para la producción de sensores de irradiancia, los avances en materiales y diseño pueden contribuir a una mayor precisión y fiabilidad. Las células solares de silicio cristalino se prefieren en la producción de sensores de irradiancia debido a su comportamiento estable y una vida útil superior a 20 años. Las células solares PERC de silicio cristalino propuestas por METU-GÜNAM han sido seleccionadas como la tecnología adecuada para las mediciones precisas de irradiancia de los sensores de SEVEN. A través de una fabricación y pruebas rigurosas, este trabajo tiene como objetivo contribuir a la creación de un estándar de referencia sólido y confiable para sensores de irradiancia, facilitando evaluaciones precisas y consistentes de la energía solar.
Tecnología de Celdas PERC
Desde su propuesta, la tecnología de células PERC ha completado en gran medida su proceso de maduración y se ha utilizado tanto en plantas de energía como en aplicaciones de techos durante aproximadamente diez años. El comportamiento de degradación de la selección de celdas de referencia, demostrado significativamente tanto en entornos de prueba de laboratorio como en campo, se consideró importante. El diseño de celdas solares PERC para SEVEN Sensor Solutions se basa en obleas de silicio tipo p y la producción se lleva a cabo con obleas de silicio dopadas con boro (B) o galio (Ga). En la producción realizada dentro de este estudio, se prefirieron las obleas de silicio tipo p dopadas con galio para evitar el efecto de Degradación Inducida por Luz (LID) causado por los complejos de Boro-Oxígeno formados por la combinación de átomos de boro dentro del sustrato y átomos de oxígeno. La producción se realizó definiendo 15 células en obleas de tamaño 156,75 mm x 156,75 mm (M2) con un espesor de 180 ± 5 µm, tamaño 3.1 cm x 3.1 cm. Posteriormente, las células de referencia fueron cortadas y preparadas mediante láser.
PRODUCCIÓN DE LAS CELDAS DEL SENSOR DE IRRADIANCIA SEVEN
La producción de células de referencia PERC se llevó a cabo en la línea piloto de producción fotovoltaica METU-GÜNAM, de acuerdo con el diseño determinado para SEVEN mediante estudios de simulación. Como paso inicial, las obleas de silicio tipo p dopadas con galio se sometieron a un proceso de grabado por daño de alambre en una solución de hidróxido de potasio (KOH)/agua desionizada para eliminar el daño superficial causado por el corte de la oblea. A continuación, se aplicó texturización para reducir la tasa de reflexión superficial. Con el proceso de texturización, la tasa de reflexión superficial se redujo a aproximadamente un 11 % gracias a las estructuras piramidales creadas por el grabado químico. Tras la texturización, se aplicó un proceso de dopaje con fósforo (P) a las obleas de silicio tipo p para formar la unión p-n. En el siguiente paso, el área dopada con fósforo no deseada en la parte posterior de las obleas se grabó químicamente con un sistema de grabado de una sola cara. Tras este proceso, se crearon secuencialmente capas de pasivación y ARC en las superficies frontal y posterior de las muestras mediante técnicas de Deposición Atómica en Capas (ALD) y Deposición de Vapor Asistida por Plasma (PECVD). Se crearon aberturas de contacto locales con láser en la superficie posterior de las muestras, que habían completado los procesos de pasivación frontal y posterior, preparándolas para la metalización. Se formaron contactos de aluminio en la superficie posterior y contactos de plata en la superficie frontal de las celdas PERC producidas mediante serigrafía. La producción de celdas se completó tras el procesamiento térmico en un horno de cocción de metalización. El flujo de producción de celdas se muestra esquemáticamente a continuación.
PROCESO DE CARACTERIZACIÓN CELULAR
Después de la producción, las células PERC producidas con dimensiones especiales de 31 mm × 31 mm se someten a un extenso proceso de pruebas y caracterización para evaluar su desempeño como células de referencia para los sensores de irradiancia SEVEN.
La caracterización eléctrica comienza con la medición de parámetros críticos como la tensión de circuito abierto (VOC), la corriente de cortocircuito (ISC), el factor de llenado (FF) y la eficiencia (η). Estas mediciones proporcionan información sobre el rendimiento eléctrico de la celda en condiciones de prueba estándar (STC), lo que garantiza que cumple con los estándares de la industria en cuanto a precisión y fiabilidad. Para esta medición se utilizaron simuladores solares y equipos de pruebas ópticas y eléctricas disponibles en la Unidad de Caracterización de Pruebas de METU-GÜNAM. Los resultados se muestran claramente en el gráfico IV a continuación.
Además de la caracterización óptica y eléctrica, se calculó el coeficiente de temperatura de las celdas PERC para comprender cómo varía su rendimiento eléctrico con los cambios de temperatura. Este coeficiente de temperatura se expresa típicamente como el porcentaje del cambio en los parámetros de la celda por cada cambio en grado Celsius. Para determinarlo, las celdas producidas se expusieron a diversas temperaturas y se creó un entorno de temperatura controlada. El rango de temperatura generalmente incluía valores extremos bajos y altos para capturar el rango completo del coeficiente de temperatura. Los parámetros eléctricos de las celdas se midieron a diferentes temperaturas dentro del rango especificado, y los datos recopilados se utilizaron para calcular el coeficiente de temperatura de cada parámetro. El valor calculado del coeficiente de temperatura fue de -0,045 %/K.
EL ESTADO ACTUAL DE LAS CELDAS DE REFERENCIA EN LA INDUSTRIA:
Las celdas de referencia son componentes esenciales para la calibración y verificación de sensores de irradiancia utilizados en aplicaciones de energía solar. Miden la radiación solar y proporcionan evaluaciones precisas y consistentes del rendimiento de paneles y sistemas solares. Actualmente, las celdas de referencia se basan principalmente en tecnología de silicio cristalino (c-Si), como el silicio monocristalino o multicristalino, con estándares establecidos como ASTM E927-10.
Si bien las celdas de referencia de silicio c-Si se utilizan ampliamente, la investigación en curso busca mejorar su precisión, estabilidad y respuesta espectral bajo diversas condiciones ambientales. Las celdas desarrolladas por METU-GÜNAM para SEVEN Sensor Solutions ofrecen una adaptación espectral mejorada y una posible mayor durabilidad.