Factor de llenado

La corriente de cortocircuito y el voltaje de circuito abierto son la máxima corriente y tensión, respectivamente, de una célula solar. Sin embargo, en ambos de estos puntos de funcionamiento, la potencia de la célula solar es cero. El "factor de llenado", más conocido por su abreviatura "FF", es un parámetro que, en conjunto con V_oc y I_sc, determina la potencia máxima de una célula solar. El FF se define como la relación de la potencia máxima de la célula solar para el producto de V_oc y I_sc. Gráficamente, el FF es una medida de la "cuadratura" de la célula solar y también es el área del rectángulo más grande que se ajuste en la curva IV. El FF se ilustra a continuación.

Gráfico de la corriente producida en la célula (línea roja) y la potencia (línea azul), como función de la tensión. También se muestran los puntos de las corrientes de cortocircuito  (I_sc) y la tensión en circuito abierto(V_oc) así como el punto de máxima potencia (V_mp, I_mp). Haga clic en el gráfico para ver cómo la curva cambia para una célula con baja FF.

Como FF es una medida de la "cuadratura" de la curva IV, una célula solar con una tensión superior tiene un FF más grande puesto que la parte "redondeada" de la curva IV ocupa menos área. El máximo FF teórico de una célula solar puede ser determinado mediante la diferenciación de la potencia de una célula solar con respecto al voltaje y hallando donde este es igual a cero. Por lo tanto:

dando:

Sin embargo, la técnica anterior no dio una ecuación de forma simple o cerrada. La ecuación anterior relaciona únicamente a V_oc con V_mp, y se necesitan ecuaciones adicionales para encontrar I_mp y FF. Una expresión más comúnmente utilizada para el FF se puede determinar empíricamente como:1

dónde v_oc se define como una "normalizada V_oc":

Las ecuaciones anteriores muestran que un voltaje más alto tendrá un mayor FF posible. Sin embargo, las grandes variaciones en el voltaje de circuito abierto dentro de un sistema material dado son relativamente poco comunes. Por ejemplo, para un sol, la diferencia entre la tensión en circuito abierto máxima medida en un dispositivo de laboratorio de silicio y una célula solar comercial típica es de aproximadamente 120 mV, dando un máximo de FF, respectivamente, de 0.85 y 0.83. Sin embargo, la variación en el máximo de FF puede ser significativo para las células solares hechas de diferentes materiales. Por ejemplo, una célula solar de GaAs puede tener un FF cercano a 0.89.

La ecuación anterior también demuestra la importancia del factor de idealidad, también conocido como "factor-n " de una célula solar. El factor de idealidad es una medida de la calidad de la unión y del tipo de recombinación en una célula solar. Para los mecanismos de recombinación simples discutidos en Tipos de recombinación, el factor-n tiene un valor de 1. Sin embargo, algunos mecanismos de recombinación, particularmente si son grandes, pueden introducir mecanismos de recombinación con valor 2. Un alto valor de n no sólo degrada la FF , pero ya que eso suele indicar una alta recombinación, también da bajas tensiones en circuito abierto.

Una limitación clave en las ecuaciones descritas anteriormente es que representan un FF máximo posible, aunque en la práctica el FF será menor debido a la presencia de pérdidas resistivas parasitarias, que se discuten en Efectos de Resistencias Parasitarias. Por lo tanto, el FF se determina más comúnmente a partir de la medición de la curva IV y se define como la potencia máxima dividida por el producto de I_sc*V_oc*, es decir:

• 1. M. A. Green, «Solar cell fill factors: General graph and empirical expressions», Solid-State Electronics, vol. 24, pp. 788 - 789, 1981.