Cinética de la saturación en células fotovoltaicas de silicio amorfo y posterior mejora en los procesos de estabilización inicial debido a la exposición a la radiación solar

Abstract

We live in a highly dependent energy consumption world. This situation is expected to be unsustainable in the upcoming decades unless we change the energy model on which our society has been built. Recently and thanks to the great progress that technologies based on renewable energies (RE) are achieving, we have this possibility within our reach. Photovoltaic solar energy has proved to be one of the most mature and future-oriented natural resources, is clean, unlimited and has a great potential for use and possible applications. There are several types of photovoltaic technologies in the market today, including amorphous silicon (a-Si:H), less efficient than conventional polycrystalline silicon cells, but with very interesting characteristics, such as the low amount of silicon needed for their manufacturing and less energy expenditure for its elaboration, which results in a lower price and lower environmental impact, also its optical properties make it very interesting for certain types of applications such as building integrations. Due to the low implementation of amorphous silicon solar panels in the market, there are some deficiencies in knowing their behavior in facilities exposed to real outdoors conditions. The present thesis performs a study of the cycle of operation of two photovoltaic arrays of a-Si:H. The study is developed in two stages, in the first; we study the phenomenon of light-induced stabilization (LID) due to the Staebler-Wronski effect (SWE) and it is compared with existing literature, proposing a new model to describe this effect. In the second stage, the study of the photovoltaic plants is continued from the point of its stabilization, with the interest of characterizing the seasonal cyclic effect in the efficiency, produced by thermal variations of annealing, the SWE and the aging of the photovoltaic cells. This study has a particular interest as a tool for researchers, engineers and photovoltaic system designers, to better understand and quantify the effects of this technology under real operating conditions.

Vivimos en un mundo cada día más dependiente del consumo de energía. Esta situación se prevé insostenible en las próximas décadas a no ser que cambiemos el modelo energético sobre el que nuestra sociedad está construida. Recientemente y gracias a los grandes progresos que las tecnologías basadas en energías renovables (EERR) están demostrando, tenemos a nuestro alcance esta posibilidad. La energía solar fotovoltaica ha resultado ser uno de los recursos naturales más maduros y con mayor proyección de futuro, es limpia, inagotable y con gran potencial de uso y aplicaciones posibles. Existen en el mercado actual varios tipos de tecnologías fotovoltaicas, entre ellas, la de silicio amorfo (a-Si:H), menos eficiente que las células convencionales de silicio policristalino pero con características muy interesantes, como la baja cantidad de silicio necesario para su fabricación y menor gasto energético para su elaboración, lo cual redunda en un menor precio y menor impacto ambiental, también sus propiedades ópticas la hacen muy interesante para cierto tipo de aplicaciones como la integración en edificios. Debido a la baja implementación de paneles solares de silicio amorfo en el mercado, existen ciertas carencias a la hora de conocer su comportamiento en instalaciones expuestas a condiciones ambientales de trabajo. La presente Tesis, realiza un estudio del ciclo de funcionamiento de dos plantas fotovoltaicas de a-Si:H. El estudio se desarrolla en dos etapas, en la primera, se estudia el fenómeno de la estabilización inducida por la luz (LID) debido al efecto Staebler-Wronski (SWE) y se compara con la bibliografía existente, proponiendo un nuevo modelo para describir este efecto. En la segunda etapa, el estudio de las plantas fotovoltaicas es continuado a partir del punto de su estabilización, con el interés de caracterizar el efecto cíclico estacional en la eficiencia, producido por las variaciones térmicas de templado, el SWE y el envejecimiento de la célula fotovoltaica. Este estudio es de particular interés como herramienta para investigadores, ingenieros y diseñadores de sistemas fotovoltaicos, para poder conocer mejor y cuantificar los efectos de esta tecnología bajo condiciones reales de funcionamiento.

Vivim en un món cada dia més depenent del consum d'energia. Aquesta situació es preveu insostenible en les pròximes dècades llevat que canviem el model energètic sobre el qual la nostra societat està construïda. Recentment i gràcies als grans progressos que les tecnologies basades en energies renovables (EERR) estan demostrant, tenim al nostre abast aquesta possibilitat. L'energia solar fotovoltaica ha resultat ser un dels recursos naturals més madurs i amb major projecció de futur, és neta, inesgotable i amb gran potencial d'ús i aplicacions possibles. Existeixen al mercat actual diversos tipus de tecnologies fotovoltaiques, entre elles, la del silici amorf (a-Si:H), menys eficient que les cèl¿lules convencionals de silici policristal¿lí però amb característiques molt interessants, com la baixa quantitat de silici necessari per a la seua fabricació i menor despesa energètica per a la seua elaboració, la qual cosa redunda en un menor preu i menor impacte ambiental, també les seues propietats òptiques la fan molt interessant per a cert tipus d'aplicacions com la integració en edificis. A causa de la baixa implementació de panells solars de silici amorf al mercat, existeixen certes manques a l'hora de conèixer el seu comportament en instal¿lacions exposades a condicions ambientals de treball. La present Tesi, realitza un estudi del cicle de funcionament de dues plantes fotovoltaiques de a-Si:H. L'estudi es desenvolupa en dues etapes, en la primera, s'estudia el fenomen de l'estabilització induïda per la llum (LID) a causa de l'efecte Staebler-Wronski (SWE) i es compara amb la bibliografia existent, proposant un nou model per a descriure aquest efecte. En la segona etapa, l'estudi de les plantes fotovoltaiques és continuat a partir del punt de la seua estabilització, amb l'interès de caracteritzar l'efecte cíclic estacional en l'eficiència, produït per les variacions tèrmiques de temperat, el SWE i l'envelliment de la cèl¿lula fotovoltaica. Aquest estudi és de particular interès com a eina per a investigadors, enginyers i dissenyadors de sistemes fotovoltaics, per a poder conèixer millor i quantificar els efectes d'aquesta tecnologia sota condicions reals de funcionament.