Efecto de la Temperatura

Como cualquier otro dispositivo semiconductor, las células solares son sensibles a la temperatura. Los aumentos de temperatura reducen la banda prohibida de un semiconductor, afectando de este modo la mayor parte de los parámetros del material semiconductor. La disminución en la banda prohibida de un semiconductor con el aumento de temperatura puede ser visto como el aumento de la energía de los electrones en el material. Por lo tanto, es necesaria una energía más baja para romper el enlace. En el modelo de enlaces de la banda prohibida en un semiconductor, la reducción en la energía de enlace también reduce la banda prohibida. Por lo tanto, el aumento de la temperatura reduce la banda prohibida.

En una célula solar, el parámetro más afectado por un aumento de la temperatura es el voltaje de circuito abierto. El impacto del aumento de la temperatura se muestra en la siguiente figura.

The effect of temperature on the IV characteristics of a solar cell.

El voltaje de circuito abierto disminuye con la temperatura debido a la dependencia de la temperatura de I₀. La ecuación para I₀ en un lado de la unión p-n está dada por;

dónde:
q es la carga electrónica que figura en la página de constantes;
A es la área;
D D es la difusividad del portador minoritario en función de dopaje para el silicio;
L es la longitud de difusión del portador minoritario;
N_D es el dopaje; y
n_i es la concentración intrínseca de portadores dada por silicio en la página de Parámetros del Material Silicio.

En la ecuación anterior, muchos de los parámetros tienen alguna dependencia de la temperatura, pero el efecto más significativo es el debido a la concentración de portadores intrínsecos, ni. La concentración intrínseca de portadores depende de la energía de la banda prohibida (separaciones de banda inferiores dan una concentración intrínseca de portadores superior), y de la energía que los portadores tienen (temperaturas más altas dan concentraciones intrínsecas de portadores superiores). La ecuación para la concentración intrínseca de portadores es;

dónde
T es la temperatura;
h y k son constantes dadas en la página de constantes;
m_e y m_h son las masas efectivas de electrones y huecos, respectivamente;
E_GO es la banda prohibida linealmente extrapolada a cero absoluto; y
B es una constante que es esencialmente independiente de la temperatura.

Sustituyendo estas ecuaciones de nuevo en la expresión para I0, y suponiendo que la dependencia de la temperatura de los otros parámetros se puede despreciar, da;

dónde B 'es una constante independiente de la temperatura. Una constante, γ, se usa en lugar del número 3 para considerar las posibles dependencias de temperatura de los otros parámetros del material. Para las células solares de silicio a temperatura ambiente, I₀ se duplica aproximadamente por cada aumento de 10 °C en la temperatura.

El impacto de I₀ en el voltaje de circuito abierto puede ser calculada mediante la sustitución de la ecuación para I₀ en la ecuación para Voc como se muestra a continuación;

dónde E_G0 = qV_G0. Suponiendo que dV_oc/dT no depende de dI_sc/dT, dV_oc/dT se puede encontrar como;

La ecuación anterior muestra que la sensibilidad a la temperatura de una célula solar depende de su tensión de circuito abierto, siendo las células solares con más alta tensión las menos afectadas por la temperatura. Para el silicio, E_G0 es 1,2, y usando γ como 3 da una reducción en el voltaje de circuito abierto de aproximadamente 2,2 mV / ° C;

La corriente de cortocircuito, I_sc, aumenta ligeramente con la temperatura, ya que la energía de banda prohibida, E_G, disminuye y, entonces, más fotones tendrán la suficiente energía para crear pares electrón-hueco. Sin embargo, este efecto es pequeño y la dependencia de la corriente de corto-circuito con la temperatura de una célula solar de silicio se define;

La dependencia de FF de la temperatura para el silicio es aproximada por la siguiente ecuación;

El efecto de la temperatura sobre la potencia máxima generada, P_m, es;

300 K o 25 ° C?

La mayoría de los modelos de semiconductores se realizan a 300 K ya que está cerca de la temperatura ambiente y es un número conveniente. Sin embargo, las células solares que se miden normalmente son casi 2 grados inferiores a 25 ° C (298,15 K). En la mayoría de casos, la diferencia es insignificante (sólo 4 mV de V_oc) y a ambos casos se les conoce como temperatura ambiente. Ocasionalmente, los resultados modelados necesitan ser ajustados para poder correlacionarlos con los resultados medidos.

A 300 K, n_i = 1.01 x 10¹⁰ cm^-3 y kT/q = 25.852 mV
A 25 °C (298.15 K), n_i = 8.6 x 10⁹ cm^-3 y kT/q = 25.693 mV

Midiendo la eficiencia de una célula solar en la Antártida. Las células solares aman ambientes soleados y fríos. (Foto Antony Schinckel)