Observación y análisis para la evaluación de celdas solares
En los últimos años, la reducción del consumo de combustibles fósiles y el uso de la energía fotovoltaica se han convertido en formas populares para prevenir el calentamiento global y preservar el medio ambiente. La principal ventaja de las celdas solares es que se puede obtener una cantidad ilimitada de energía en cualquier lugar expuesto a la luz solar sin dañar el medio ambiente. Por esta razón y porque la eficiencia de la generación de energía no depende de la escala del equipo, la demanda de energía fotovoltaica está creciendo.
En esta sección se presentan los conocimientos básicos sobre las celdas solares y presenta ejemplos de los mejores métodos de observación y análisis.
- Principio de funcionamiento, estructura y eficiencia de conversión de energía de las celdas solares
- Problemas en la observación, medición, análisis y evaluación de las celdas solares
- Ejemplos de cómo mejorar la observación, la medición y el análisis de las celdas solares
- Un Microscopio 4K que revoluciona la observación, medición, análisis y evaluación de las celdas solares
Principio de funcionamiento, estructura y eficiencia de conversión de energía de las celdas solares
Las principales celdas solares disponibles en la actualidad son celdas solares de silicio o celdas solares de semiconductores compuestos. Aunque las celdas solares de silicio son las más utilizadas, la cuota de mercado de las celdas solares de semiconductores compuestos está aumentando porque tienen una ventaja en términos de costos de producción. A continuación, se explica el principio básico de funcionamiento y la estructura de las celdas solares, así como los materiales típicos y las eficiencias de conversión de energía de las celdas solares de silicio y de las de semiconductores compuestos.
Principio de funcionamiento de las celdas solares
Las celdas solares de silicio, que se utilizan comúnmente, tienen una unión interna de dos tipos de semiconductores, el tipo p y el tipo n, cada uno de los cuales tiene propiedades eléctricas diferentes.
Cuando un panel solar se expone a la luz solar, se generan electrones (negativos) y huecos (positivos). Los huecos son atraídos por el semiconductor de tipo p, mientras que los electrones son atraídos por el semiconductor de tipo n. Por ejemplo, cuando se conecta una carga, como una bombilla, a los electrodos de la parte delantera y trasera, la corriente eléctrica pasa a través de la unión como se muestra en la siguiente figura.
- A: Película antirreflectante
- B: Silicio tipo n
- C: Silicio tipo p
- D: Electrodos
- E: Corriente
Estructura de las celdas solares
Las unidades y sus nombres se explican e ilustran en la siguiente figura.
- A: Celda
- B: Módulo
- C: Matriz
- Celda
- Una celda es la unidad mínima.
- Cadena de celdas o matriz de celdas
- Una sola celda genera un voltaje bajo. Una cadena de celdas contiene múltiples celdas conectadas en serie para generar el voltaje requerido.
Una matriz de celdas contiene varias cadenas de celdas conectadas en serie o en paralelo para aumentar aún más la salida.
- Modulo
- Un módulo, también llamado panel solar, es un paquete que contiene varias matrices de celdas para uso en exteriores. Un módulo está recubierto de resina o vidrio reforzado para proteger las celdas internas y se fija con un marco exterior para aumentar su resistencia.
- Matriz
- Se conectan varios módulos para formar una matriz.
Eficiencias de conversión de energía y materiales de las celdas solares
Un importante indicador del rendimiento de las celdas solares es la eficiencia de conversión de energía. La eficiencia de conversión de energía es un parámetro que muestra la fracción de la energía de la luz solar incidente convertida en energía eléctrica. La eficiencia de conversión de energía del módulo y la eficiencia de conversión de energía de la celda son dos indicadores representativos de la eficiencia de conversión de energía fotovoltaica. A continuación, se explican las dos eficiencias de conversión de energía.
- Eficiencia de conversión de energía del módulo
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La eficiencia de conversión de energía del módulo se utiliza comúnmente para indicar la capacidad de generación de energía de un módulo solar (panel solar). La eficiencia de conversión de energía del módulo es un porcentaje de energía eléctrica convertida a partir de aproximadamente 1 kW de energía luminosa por 1 m² (10.76 ft²) de módulo solar.
- Eficiencia de conversión de energía de la celda
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Una celda es la unidad mínima que compone un módulo solar. La eficiencia de conversión de energía de la celda indica la eficiencia de conversión de energía por celda solar. La eficiencia de conversión de energía de la celda se puede obtener mediante la siguiente fórmula.
Con la investigación y el desarrollo continuos, las eficiencias de conversión de energía de los módulos y las celdas mejoran año tras año. Sin embargo, la tecnología moderna no puede absorber el 100% de la energía luminosa incidente ni convertir el 100% de la energía luminosa absorbida en electricidad debido a diversos factores, como la reflexión de la luz en los paneles solares y la resistencia de las celdas.
- Materiales y características de las celdas solares
- Las celdas solares utilizan diversos materiales según las funciones requeridas por la aplicación y los costos previstos. La eficiencia de conversión de energía varía en consecuencia. Por ello, los fabricantes están trabajando en la investigación y el desarrollo de materiales y procesos de fabricación para lograr una mayor eficiencia de conversión de energía y menores costos.
A continuación, las celdas solares se clasifican en tipo de silicio y de semiconductores compuestos; se explican los materiales representativos y sus características para cada tipo.
- Celda solar de silicio
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- Monocristal
- Las celdas solares que utilizan silicio monocristalino son costosas, pero tienen una alta eficiencia de conversión y fiabilidad.
- Policristalino
- Las celdas de silicio policristalino son las más utilizadas porque el silicio policristalino es más económico que el monocristalino.
- Silicio amorfo
- Dado que el silicio amorfo es un silicio no cristalino, las celdas solares que utilizan silicio amorfo son más baratas que las que utilizan silicio policristalino, pero tienen una baja eficiencia de conversión de energía.
- Celdas multiunión
- Varios tipos de celdas solares, como el silicio amorfo y el silicio policristalino de capa fina, se laminan para formar una estructura en tándem. Este tipo de celda solar tiene una alta eficiencia de conversión de energía.
- Celda solar de semiconductor compuesto
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- Seleniuro de cobre e indio (CIS)
- Las celdas solares CIS están hechas de cobre, indio y seleniuro. Este tipo de celda solar se puede fabricar a bajo costo, y tiene una eficiencia de conversión de energía relativamente alta.
- Seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS)
- Las celdas solares CIGS utilizan cuatro elementos, el galio añadido con los tres elementos utilizados para el CIS. Este tipo de celda solar tiene una eficiencia de conversión de energía ligeramente superior a la de las celdas solares CIS.
- Teluro de cadmio (CdTe)
- Las celdas solares de CdTe se fabrican con cadmio y telurio. Este tipo se utiliza principalmente en Europa.
- Arseniuro de galio (GaAs)
- Las celdas solares de GaAs están hechas de galio y arseniuro. Este tipo de celda solar tiene una alta eficiencia de conversión de energía, pero es cara. Se utiliza en satélites y en aplicaciones similares.
Problemas en la observación, medición, análisis y evaluación de las celdas solares
En la industria fotovoltaica, con la necesidad de preservar el medio ambiente y la creciente demanda de energías renovables, los fabricantes compiten por desarrollar celdas solares que proporcionen una mayor eficiencia de conversión de energía a un costo menor. Además, son necesarios altos niveles de garantía y control de calidad para proporcionar productos fotovoltaicos y de almacenamiento de energía estables y mantener la confiabilidad en el mercado de posventa.
Las celdas solares presentan irregularidades en su superficie para aumentar la superficie. Cada sección tiene una mezcla de varios materiales con diferentes colores y superficies brillantes. Esto hace que sea difícil observar, medir y analizar con precisión las partes microscópicas —como los electrodos— de los productos defectuosos y los prototipos, lo que hace que estas operaciones consuman mucho tiempo.
Se requiere mucho tiempo, esfuerzo y un alto nivel de experiencia para la observación, la medición y el análisis utilizando microscopios convencionales. Incluso cuando los expertos utilizan una escala para la medición visual, los valores medidos pueden variar de un operador a otro.
La preparación requiere mucho tiempo y esfuerzo cuando se utiliza un microscopio electrónico de barrido (SEM) para la medición de secciones transversales. También es difícil identificar los materiales y las partículas extrañas en las áreas defectuosas porque los SEMs no admiten la observación del color.
Ejemplos de cómo mejorar la observación, la medición y el análisis de las celdas solares
El reciente progreso tecnológico de los microscopios digitales elimina los problemas a los que se enfrentan los microscopios convencionales y mejora drásticamente la eficiencia de la observación, la medición y el análisis. El Microscopio Digital Serie VHX de KEYENCE cuenta con una función de asistencia automática que les permite a los usuarios capturar fácilmente imágenes de alta resolución, contar partículas y realizar mediciones 2D/3D precisas de las celdas solares. Mediante la combinación de lentes de alta resolución de última generación, un sensor de imagen CMOS 4K, capacidades de iluminación avanzadas y tecnologías de procesamiento de imágenes, la Serie VHX mejora drásticamente la observación y el análisis de las celdas solares.
Vea a continuación ejemplos de observación, medición y análisis de celdas solares utilizando la Serie VHX.
Medición de la forma 3D de electrodos
Para aumentar la eficiencia de conversión de energía de las celdas solares, es necesario minimizar la anchura y también la altura de los electrodos. Cuando se utiliza un material caro, como el oro, para los electrodos, minimizar el volumen puede reducir el costo.
Es difícil medir con precisión las formas finas de los electrodos con los microscopios convencionales, por lo que es imposible medir las formas 3D de forma instantánea.
Con el Microscopio Digital 4K Serie VHX, las formas 3D se pueden medir con una precisión de nivel micrométrico utilizando una imagen con aumento de alta resolución. Al superponer un mapa de colores en la imagen 3D, la Serie VHX visualiza fácilmente los datos de altura y las mediciones de perfil en múltiples ubicaciones, lo que facilita la comparación de las formas microscópicas.
Observación de secciones transversales de áreas defectuosas
Cuando se observa una sección transversal pulida de resina incrustada con grandes aumentos utilizando un microscopio convencional, incluso las irregularidades más sutiles que quedan en la superficie hacen que sea imposible enfocar toda la superficie, lo que impide una observación clara. La preparación, como la evacuación completa o casi completa de la cámara de muestra, lleva mucho tiempo cuando se observa una sección transversal con un microscopio electrónico de barrido (SEM). También es difícil detectar los cambios en los materiales e identificar las partículas extrañas mezcladas en la sección transversal porque los SEM no admiten observaciones en color.
El Microscopio Digital Serie VHX cuenta con un sensor de imagen CMOS 4K y una gran profundidad de campo que les permite a los usuarios capturar imágenes en color completamente enfocadas en todo el campo de visión, sin que les afecten las irregularidades de la superficie de una muestra.
El cabezal totalmente integrado (FI) puede cambiar automáticamente el aumento de 20x a 6000x, lo que permite una observación de alta resolución de muestras de sección transversal rápidamente.
Observación de módulos solares (paneles)
Es difícil observar claramente los módulos solares (paneles), especialmente las sutiles irregularidades de la superficie y los rayones, debido a las superficies brillantes, la mezcla de diferentes colores y el bajo contraste.
El Microscopio Digital Serie VHX está equipado con la función de alto rango dinámico (HDR), que combina múltiples imágenes capturadas a distintas velocidades de obturación para adquirir una imagen con alta gradación de color, creando imágenes de alto contraste que resaltan las texturas. Mediante el sistema de observación de ángulo libre y la función de composición de profundidad, las muestras se pueden observar completamente enfocadas desde cualquier ángulo.
Conteo de partículas en superficies de obleas
El Microscopio Digital Serie VHX puede simplificar la determinación de las condiciones de iluminación óptimas para la observación y reducir el tiempo necesario mediante la función de iluminación múltiple. El sistema también les permite a los usuarios reproducir las condiciones de iluminación anteriores guardadas con una imagen para otras muestras.
Además, la medición del área y el conteo de partículas se pueden realizar automáticamente. En esta área, se pueden excluir los objetos que no son necesarios, se pueden separar los objetos sobrepuestos y también se pueden utilizar otras funciones útiles.
Estas funciones permiten que cualquier operador obtenga rápidamente resultados de análisis de alta precisión y sin errores numéricos, independientemente de la experiencia o el nivel de conocimientos del operador.
Un Microscopio 4K que revoluciona la observación, medición, análisis y evaluación de las celdas solares
El Microscopio Digital Serie VHX permite a los usuarios observar y capturar fácilmente imágenes 4K completamente enfocadas. Este microscopio ayuda a reducir el error humano al tomar mediciones 2D/3D y puede medir áreas y contar partículas automáticamente, lo que permite una rápida adquisición de datos numéricos y una evaluación cuantitativa.
La Serie VHX es una poderosa herramienta que resuelve varios problemas a los que se enfrentan los microscopios y SEM convencionales con una sola unidad, mejorando drásticamente la eficiencia del trabajo. Además, se puede instalar Excel directamente en la Serie VHX, lo que permite crear automáticamente informes con las imágenes y mediciones capturadas. Estas características hacen que los flujos de trabajo sean más rápidos y precisos, lo cual es indispensable para impulsar la investigación y el desarrollo de productos superiores a los de sus competidores.
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