10.1: Un aparato de prueba simple para verificar la fotorespuesta de materiales fotovoltaicos experimentales y células solares prototipo

Introducción

Uno de los problemas asociados con la prueba de un nuevo material fotovoltaico no probado o diseño de célula es que se requiere un procesamiento significativo para crear una célula solar en pleno funcionamiento. Si se desea tamizar una amplia gama de materiales o condiciones sintéticas, puede llevar mucho tiempo (y costosos fondos de investigación) preparar dispositivos que funcionen completamente. Además, el éxito de cada célula individual puede ser más dependiente de los pasos de fabricación no asociados con las variaciones en estudio. Por ejemplo, la litografía y metalización podrían causar más variabilidad que los parámetros de la síntesis de materiales. Así, el resultado podría ser no dar información útil en cuanto a la viabilidad de cada material en estudio, o peor aún una falsa indicación de la dirección de la investigación.

Las llamadas mediciones cualitativas rápidas y sucias se pueden emplear para evaluar no solo la fotorrespuesta relativa de los nuevos materiales de la capa absorbente, sino también la potencia relativa de los dispositivos fotovoltaicos. El procedimiento de medición puede proporcionar una evaluación simple, económica y rápida de los materiales y estructuras celulares que pueden ayudar a guiar el desarrollo de nuevos materiales para aplicaciones de células solares.

Necesidades de equipo

Todo lo necesario para las mediciones se puede comprar en una tienda de electrónica local y en una ferretería o en una tienda de cajas grandes. Los artículos necesarios son:

• Dos voltímetros digitales de mano con sensibilidad de al menos ±0.01 mV (0.001 mV es mejor, por supuesto).
• Un tablero de pruebas simple y kit de cableado asociado.
• Una selección de resistencias de tamaño estándar y potencia (1/8 - 1 Watt, 1 - 1000 ohmios).
• Una selección de potenciómetros enrollados de alambre (0 - 10 ohmios; 0 - 100 ohmios; 0 - 1000 ohmios) si se desea trazado I-V.
• Una fuente de luz. Esto puede ser cualquier cosa, desde una simple luz de inundación hasta un viejo proyector de diapositivas.
• Un pequeño ventilador u otro dispositivo de enfriamiento para “estado estacionario” (es decir, para mediciones que duran más de unos pocos segundos, como trazar una curva I-V).
• Batería de 9 voltios y soporte o fuente de alimentación simple de baja tensión ac/dc.

Medición de la fotorespuesta de una célula solar experimental

Se puede obtener una medición cualitativa de las características de corriente-voltaje (I-V) de una célula solar utilizando el diagrama de circuito simple ilustrado en la Figura\(\PageIndex{1}\). La figura\(\PageIndex{2}\) muestra una configuración de prueba I-V usando una lámpara de inundación doméstica para la fuente de luz. Un pequeño ventilador se sienta a la derecha justo fuera de la imagen.

Figura Diagrama de circuito\(\PageIndex{1}\) simple para la medición I-V de una célula solar prototipo.

Figura Aparato de prueba\(\PageIndex{2}\) simple para la medición cualitativa de la salida de corriente-voltaje de una célula solar experimental de película delgada.

Conducir el potenciómetro a su valor máximo colocará la celda cerca de la operación de circuito abierto, dependiendo del rango del potenciómetro, de manera que el voltaje de circuito abierto pueda extrapolarse simplemente de la curva I versus V. Si se desea, el circuito simplemente se puede abrir para realizar la medición real una vez que se hayan registrado el resto de los datos. Los datos en este caso simplemente se registraron a mano y posteriormente se ingresaron en una hoja de cálculo para que se pudiera generar una gráfica I-V. En la Figura se muestra una gráfica muestral\(\PageIndex{3}\). Tenga en cuenta que la eficiencia celular no se puede determinar con esta técnica a menos que la fuente de luz haya sido calibrada y corregido el color para que coincida con la luz solar terrestre. El hecho de que el dispositivo experimental realmente generara potencia neta fue el resultado buscado. La forma de la curva y el muy bajo voltaje son el resultado de pérdidas resistivas muy grandes en el dispositivo junto con una unión muy “permeable”.

Figura\(\PageIndex{1}\) y\(\PageIndex{2}\)

Una mejora que se puede hacer al sistema anterior es reemplazar el proyector con un simple proyector de diapositivas. El proyector normalmente tendrá un espectro muy pesado en rojo e infrarrojo y será deficiente en las longitudes de onda más cortas. Aunque todavía no es una combinación perfecta con el espectro solar, el proyector de diapositivas al menos tiene más salida a las longitudes de onda más cortas; al mismo tiempo tendrá menos salida IR en comparación con el proyector y la combinación debería dar una respuesta algo más representativa. Una configuración típica se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

Figura Configuración\(\PageIndex{4}\) de prueba usando un proyector de diapositivas.

El espejo en la Figura\(\PageIndex{5}\) sirve para dos propósitos. Primero, gira el haz para que el objeto de prueba pueda colocarse plano en un lecho de medición y segundo sirve para colimar y concentrar el haz enfocándolo en un área más pequeña, dando una mejor aproximación de la intensidad solar terrestre en un rango de intensidades como AM2 (masa de aire 2) a través de AM0 (Figura \(\PageIndex{5}\)). Se puede hacer una estimación de la intensidad utilizando una célula solar de silicio calibrada del tipo que se puede comprar en línea en cualquiera de varias tiendas de pasatiempos científicos como Edmunds Scientific. Aunque todavía está lejos de permitir una medición cuantitativa de la salida del dispositivo, la técnica al menos proporcionará indicaciones dentro de un rango de béisbol de eficiencia celular real.

Figura Espectro de irradiancia\(\PageIndex{5}\) solar a AM 0 (amarillo) y AM2 (rojo). Adaptado de M. Pagliaro, G. Palmisano, y R. Ciriminna, Flexible Solar Cells, John Wiley, Nueva York (2008).

La figura\(\PageIndex{6}\) muestra una medición realizada con el dispositivo de prueba colocado a una distancia del espejo para lo cual se determinó previamente que la intensidad era equivalente a la intensidad solar AM1, o 1000 vatios por metro cuadrado. Dado que el haz pasa a través de la lente del proyector y se refleja desde la segunda superficie del espejo ligeramente cóncavo, esencialmente no queda luz UV en el haz que pueda ser dañina a simple vista. Aún así, si se utiliza esta técnica, se recomienda que las observaciones se hagan a través de una pieza de vidrio ordinario como anteojos o incluso un pequeño escudo de vidrio insertado para ese propósito. El área azul en la figura representa el rectángulo más grande que se puede dibujar bajo la curva y da la máxima potencia de salida de la celda, que es simplemente el producto de la corriente y voltaje a máxima potencia.

La figura\(\PageIndex{6}\) es una gráfica de densidad de corriente, obtenida dividiendo la corriente del dispositivo por su área. Es común normalizar la salida es de esta manera.

Si se conoce la densidad de potencia de la luz incidente (P ₀) en W/cm ², la eficiencia del dispositivo se puede obtener dividiendo la potencia máxima (determinada a partir de I _m y V _m) por la densidad de potencia incidente multiplicada por el área de la celda (_celda A),\ ref {1}.

\[ \eta \ =\ I_{m}V_{m}/P_{0}A_{cell} \label{1} \]

Figura\(\PageIndex{6}\) La imagen muestra el brillo relativo del haz de luz a una intensidad aproximada de 1000 W/m2. Un pequeño espejo cóncavo sirve tanto para girar el haz como para concentrarlo una pequeña cantidad para alcanzar ese nivel.

Medición de la Fotoconductividad de Materiales Fotovoltaicos Experimentales

En muchos casos es beneficioso determinar la fotoconductividad de un nuevo material previo a la fabricación de la célula. Esto permite el cribado rápido de materiales o variables de síntesis de un solo material incluso antes de que se consideren cuestiones de diseño y construcción de celdas.

La figura\(\PageIndex{7}\) muestra el diagrama de circuito de una simple prueba de fotoconductividad realizada con una configuración ligeramente diferente en comparación con la mostrada anteriormente. En este caso se coloca una tensión a través de la muestra después de haber sido conectada a una resistencia colocada en serie con la muestra. Se puede usar una batería simple de 9 V asegurada con un soporte de batería o un pequeño convertidor de corriente alterna a CC para suministrar el voltaje. La muestra y la resistencia se asientan dentro de una pequeña caja con una parte superior abierta.

Figura Diagrama de\(\PageIndex{7}\) circuito para prueba de fotoconductancia simple.

El voltaje a través (en este caso) de la resistencia de 10 ohmios se midió con un obturador sujeto sobre la muestra (un simple trozo de cartón sentado en la parte superior de la caja) y con el obturador retirado. La diferencia de voltaje es una indicación directa del cambio en la fotoconductancia de la muestra y nuevamente es una prueba muy rápida y sencilla para ver si el material que se está desarrollando realmente tiene una fotorespuesta de algún tipo sin tener que hacer una estructura completa del dispositivo. Ajustar la posición de la fuente de luz para que la densidad de potencia de la luz incidente en la superficie de la muestra sea de 200 o 500 o 1000 W/m2 permite una estimación numérica aproximada de la fotocorriente que se generó y de nuevo puede ayudar a guiar el desarrollo de nuevos materiales para aplicaciones de células solares. Los resultados de dicha medición se muestran en la Figura\(\PageIndex{8}\) para una muestra de nanotubos de carbono (CNT) recubiertos con CdSe por deposición en fase líquida (LPD).

Figura\(\PageIndex{8}\) Fotorespuesta de una alfombra de nanotubos de carbono (CNT) recubierta con CdSe por deposición en fase líquida.