Presenter: Dr. Arturo Fernández Madrigal Instituto de Energías Renovables –UNAM

1. Dr. Arturo Fernández Madrigal
Instituto de Energías Renovables –UNAM
afm@ier.unam.mx
Tel +52-5556229705
Taller Regional: Fuentes de energía sostenibles para el desarrollo
rural y la resiliencia de comunidades en Centroamérica, el Caribe y México Noviembre 16-18,2016

2. • De la población de 112 millones de personas en Mexico, el 97% tienen acceso a la red
eléctrica de la CFE
• 3.5 millones de personas no tiene acceso a la red electrica
• A partir del año 1955 se ha invertido la población rural a la población urbana de 70:30 a
30:70.
• Como resultado se ha provocado el abandono de los campos agrícolas y se a causado
trastornos en el desarrollo urbano.
• Para el rescate de las zonas rurales es necesario proveer energía eléctrica, con el
propósito de mejorar el sector agropecuario: irrigación, preparación de las tierras y
fertilización; sector doméstico: iluminación, elaboración, preparación y conservación
de los alimentoso; sector de la industria y los servicios comerciales rurales:
iluminaciónel propósito de poder extraer el agua de los pozos, expandir la agricultura,
proveer servicios de salud; procesos industriales; - servicios comunales y sociales:
bombeo de agua, refrigeración para los centros de salud; iluminación de las
instalaciones comunales.

3. El efecto fotovoltaico es el proceso a través del cual la
radiación solar es convertida a electricidad.
Los dispositivos en donde se lleva a cabo esta transformación se
llaman celdas solares, la cual es la unidad mínima en donde se
lleva a cabo dicha transformación.
Es posible definir al "efecto fotovoltaico" como la generación de
una fuerza electromotriz, cuyo producto es el efecto de la
radiación ionizante en un material.
Este efecto ocurre en materiales, en estado gaseoso, líquidos y
sólidos.
Es en los sólidos, y particularmente en algunos materiales del
tipo semiconductores en donde es posible obtener eficiencias
aceptables de conversión de energía solar a energía eléctrica.
Principio de funcionamiento

5. Unión
p-n
Celda Solar
• La estructura básica de una celda solar es la unión p-n.
• Al recibir la radiación solar en forma de fotones, una
parte de ella será absorbida por algunos electrones de
valencia en ambos semiconductores, creándose un
electrón fotogenerado y por consecuencia dejando un
hueco fotogenerado.
• Los portadores de carga fotogenerado viajan dentro de
la estructura hacia la unión, bajo un gradiente de
concentración.
• En la unión radica aparece un campo eléctrico externo
que actúa sobre estos y los separa, (los electrones
generados al lado n y a los huecos al lado p.
• La concentración de electrones fotogenerados en el
lado n y de los huecos en el lado p, son los
responsables que aparezca un fotovoltaje.
• Este fotovoltaje es el responsable de enviar al exterior a
dichos portadores de carga, produciéndose una
corriente IL, si se coloca una resistencia de carga en los
extremos de la celda solar.

6. • Los principales parámetros
característicos de una estructura
fotovoltaica son:
• el voltaje del circuito abierto, VOC;
• la corriente a corto circuito, ISC;
• la corriente de saturación, I0;
• el voltaje máximo que origina la
potencia máxima,
• VM; la corriente máxima que
origina la potencia máxima,
• IM; la potencia máxima PM y
• FF, es el factor de llenado, el cual
representa la cuadratura de la
curva I-V (Fig.4) en términos de
ISC y VOC.
Una medición corriente-voltaje, es aquella
en la que se aplican una o más diferencias
de potencial (o voltajes) y se mide la
corriente I que pasa por el material o
dispositivo.
Parámetros característicos de una celda solar

8. Las celdas solares se clasifican en:
 Primera generación: Son las celdas formadas por
dispositivos de homounión. Existen las del tipo
mono y policristalinas de silicio, principalmente.
 Segunda generación: Son las celdas formadas por
heterouniones en forma de película delgada,
depositadas en un substrato rígido o flexible. El
rango de espesores de estas varia desde algunos
nanómetros hasta decimas de micra.
 Tercera generación: Denominadas también celdas
solares emergentes. Representan innovaciones,
basadas en compuestos orgánicos o inorgánicos.
(celdas solares sensibilizadas, organicas,
microesferas, etc.)

9.  Avances de celdas solares basadas en Silicio
Se trabajan en mejorar la produccion los procesos obtener
Si grado celda solar, encontrandose una mejora de 5 veces
que los metodos tradicionales.
Se explora como reducir costos de las tecnologias de fabricacion
de celda de diversos tipos de silicio (poli, mono y amorfo).
Se explora la posibilidad de utilizar al silicio poros para mejorar
las caracterisiticas fotovoltaicas.
Se esta desarrollando el silicio en forma de cinta, con espesores del
orden de 100 μm.
En silicio amorfo, es posible alanzar eficiencias entre 5-7%,
pero usando dobles o triples uniones es posible incremantarla a 8-10%.
Se estudia el desarrollo de variantes usando Carburo de Silicio amorfo
(a-SiC), Germanio silicio amorfo (a-SiGe), Silicio microcristalino (μc-Si),
Nitruro de silicio amorfo (a-SiN)

10. Celdas solares de película
delgada

11. Celdas Solares de película delgadas
 Entre las mas importantes desde el punto de
vista tecnológico y comercial se encuentran
las siguientes:
 Teluro de Cadmio (CdTe).
 Diselenuro de cobre indio galio (CIGS).
 Celdas solares sensibilizas (DSC).
 Celdas solares orgánicas.
 Películas delgas de silicio (TF-Si).

12. Celdas solares de Película delgada Cu(In,Ga)Se2
ZnO
CdS
Cu(In,Ga)Se2
absorbedor
Sustrato
Contacto
superior
ZnO:Al
Contacto
inferior
Mo
3 mm
1µm
1- 3µm
50nm
80nm
500nm
Radiación
MoSe2 50nm
celdas solares con eficiencia de 20,8 %
Utilizando evaporación reactiva .
Mo
CIGS
ZnO:Al
CdS
ZnO
Mo
CIGS
ZnO:Al
CdS
ZnO
(a) (b)
Celda Solar con eficiencia del 2.1% elaborada
por la tecnica del electrodeposito
0 100 200 300 400 500 600
-30
-20
-10
0
CIGS por evaporación
Irradiancia = 1 000 W/m
2
Área de la celda = 0,237 cm
2
Vca = 573 mV
Jcc = 32,03 mA/cm
2
FF= 0,533
 9,78 %
CIGS por ED simultáneo
y selenización
Irradiancia = 1 000 W/m
2
Área de la celda = 0,21 cm
2
Vca = 354 mV
Jcc = 27,9 mA/cm
2
FF= 0,287
 2,83 %
CIGS por evaporación,
Densidaddecorriente(mA/cm
2
)
Voltaje (mV)
CIGS por ED simultáneo
y selenización

14. Celdas solares de Sulfuro de Antimonio
configurations of solar cells
prepared by thermal
evaporation
Diego Pérez-Martínez, José Diego Gonzaga-Sánchez, Fabiola De Bray-Sánchez, Geovanni Vázquez-García, José Escorcia-
García, M. T. S. Nair, and P. K. Nair*. (2016). Simple solar cells of 3.5% efficiency with antimony sulfide-selenide thin

15. Celdas Solares de Sulfuro de Estano
15
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
Jsc: 6.23 mA/cm
2
Voc: 0.470 V
FF: 0.44
: 1.28 %
Area: 1 cm
2
J(mA/cm
2
)
V (V)
SnS-CUB (550 nm)
ZnO:Al (450 nm)
Ag
Iluminación
S.S. (HCl) 0.61 mm
ZnO (180 nm)
CdS (50 nm)
400 500 600 700 800
0
10
20
30
40
50
ZnO
Eg=3.2 eV
CdS
Eg=2.5 eV
SnS-T
SnS
Eg=1.74 eV
 (nm)
EQE(%)
ZnO-T
CdS-T
0
25
50
75
100
T(%)
Large cubic structure
(64 atoms)
• SnS by Chemical bath deposition
(CBD)
• Band gap 1.77 eV
• p-type conductividy 10-6 -1 cm-1
• The  product measuremetn of
thin films Cub-SnS is 2x10-7 cm2 V-1.A. R. Garcia-Angelmo, et al Phys. Status Solidi A 212, 2332 (2015).
R. E. Abutbul, Ana Rosa Garcia-Angelmo, et al, CrystEngComm,18, 5188 (2016)

16. Celdas solares Sensibilizadas con colorantes (DSSC)
Curva I-V para celda solar usando
pasta comercial de titanio
nanoporoso
Curva I-V para celda solar unsando pasta
comercial Dyesol™

17. Celdas solares hibridas
Heterouniones (a) Planar, (b) bulto, (c) Mezcla de naoparticulas dispersas, (d) Capa rugosa
Diversos polimeros
Conductores

18. Grupo de Celdas Solares Híbridas
Materiales orgánicos e
inorgánicos:
- Polímeros conductores
- Sulfuros y óxidos
metálicos
- PerovskitasMétodos de síntesis y
depósito:
- Baño químico
- Microondas
- Spin-coating
- Evaporación
Algunos trabajos representativos
- Hernández-Granados, A. et al., “Sb2(SxSe1-x)3 sensitized solar cells prepared by solution deposition
methods”, Mat. Sci. Semicon. Proc. 2016, 56, 222-227.
- Moreno-Romero, P. M. et al., “Study of potential inhibitors to limit degradation of organometallic
halides perovskites”, 2015 Materials Research Society (MRS) Fall Meeting & Exhibit, Boston, MA,
USA.
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Sin TiO2
mp
Jsc
= 1.69 mA/cm2
Voc
= 0.941 V
FF= 0.564
= 0.897%
V (V)
J(mA/cm2
)
Con TiO2
mp
Jsc
= 17.84 mA/cm2
Voc
= 0.935 V
FF= 0.367
= 6.12%

19. Con permiso del Miguel Contreras, NREL-2009

20. Gracias