Estudio teórico y experimental del comportamiento térmico de la capa activa en células solares fotovoltaicas sensibilizadas por colorante (DSSC)

Resumen

La temperatura de operación de una célula solar es un factor de vital importancia en este tipo de dispositivos pues afecta directamente a la eficiencia fotoconversora del dispositivo fotovoltaico. La determinación de la temperatura alcanzada por la capa activa en este tipo de dispositivos es de gran interés, pero abordar la realización de este tipo de medida es complejo, pues es imposible medir directamente la temperatura dadas las dimensiones submicrométricas de la capa, si bien es posible plantear métodos indirectos. De esta forma, el objetivo de este trabajo es ampliar el conocimiento sobre la temperatura alcanzada por la capa activa de las células solares fotovoltaicas, en condiciones usuales de trabajo. El incremento de temperatura en los dispositivos fotovoltaicos se debe a dos factores principales: a) la incidencia de radiación cuya energía fotónica es inferior a la definida por el GAP energético del semiconductor (diferencia energética entre la banda de valencia y la de conducción). La absorción de estos fotones no genera transiciones electrónicas de la banda de valencia a la banda de conducción, pero sí pueden generar procesos roto-vibracionales aumentando la temperatura del sistema, y b) por la absorción de fotones con un exceso de energía fotónica respecto al mínimo del GAP energético, es decir, el valor de la energía del fotón excede el mínimo necesario para que se produzca el proceso fotovoltaico. Los fotoelectrones pasan entonces a la parte superior de la banda de conducción, seguido de una rápida relajación roto-vibracional hasta el mínimo de dicha banda con la correspondiente cesión de energía al sistema. En esta Tesis Doctoral se ha tomado como dispositivo básico de trabajo las células solares sensibilizadas con colorante (en adelante, DSSC) puesto que son un tipo de células solares que pueden ser producidas con facilidad en nuestro laboratorio, pudiéndose controlar diversas especificaciones de la capa fotoactiva. No obstante, la parte fundamental de la metodología de trabajo desarrollada puede hacerse extensiva a otro tipo de dispositivos. El objetivo propuesto -determinación de la temperatura de la capa activa en condiciones de trabajo- podría abordarse mediante la utilización de sensores de temperatura adosados a la superficie de la célula, pero la colocación de sensores de temperatura tradicionales en la capa activa de las células solares es físicamente imposible en la mayoría de los dispositivos fotovoltaicos debido al tamaño micrométrico de dicha capa y a que ésta se encuentra flanqueada por una o más capas de escasa o nula fotoactividad. Por esta razón, se hace necesario el empleo de metodologías de estimación indirecta de la temperatura, temática poco desarrollada en la actualidad. Esta estimación indirecta de la temperatura se establece como hipótesis de trabajo dentro de la Tesis Doctoral, ya que se pueden aplicar diferentes metodologías teórico-experimentales que de modo indirecto permiten el conocimiento de la temperatura alcanzada por la capa activa de la célula solar. Para lograr los objetivos propuestos se han abordado diversas líneas de trabajo. Primero se ha efectuado un estudio de las variaciones térmicas bajo irradiación de la capa activa empleando la espectroscopía Raman como sonda de medida indirecta mediante la aplicación de la fórmula clásica que relaciona la intensidad de las bandas anti-Stokes y Stokes con la temperatura. Dicha estimación se ha realizado tanto para muestras a temperatura ambiente como muestras termostatizadas a diferentes temperaturas, y con diferentes espesores de capas estudiándose cómo afecta la cantidad de materia al comportamiento térmico de la celda solar. En segundo lugar, se ha desarrollado un sistema instrumental que permite registrar en continuo -no, como se ha realizado tradicionalmente, a determinados valores de temperatura- la evolución de los diversos parámetros fotovoltaicos, en función de la temperatura, empleando una fuente de iluminación basada en leds de alta intensidad al objeto de minimizar la emisión de radiación infrarroja. Para poder normalizar los resultados obtenidos con aquellos que cabría obtener empleando lámparas de xenón estándar, que simulan la radiación solar, ha sido necesario calcular el factor de desajuste. Este factor (MMF, Mismatch Factor, cuya obtención se explicará más adelante en esta Tesis Doctoral) establece la equivalencia del espectro de emisión de la lámpara led con el espectro solar de referencia. Por último, se ha desarrollado un método de cálculo numérico que efectúa una estimación de la temperatura a partir de los datos experimentales generados en procesos de evolución térmica. Para ello, se emplean analogías a procesos de carga/descarga eléctrica en sistemas resistivo-capacitivos, técnica habitualmente utilizada en los estudios de transferencia de calor entre sistemas heterogéneos estructuralmente laminados, que presentan un espesor del orden de los centímetros. En el estudio que se ha realizado, se ha adaptado satisfactoriamente esta metodología de cálculo a muestras que en su conjunto presentan un espesor del orden de la decena de micras. Los resultados que se han obtenido con los diferentes métodos de estimación propuestos, indican que las muestras experimentan un sobrecalentamiento comprendido entre los 30 K y 40 K en función del espesor de material semiconductor y de las condiciones de irradiación. Los escasos estudios al respecto publicados en la literatura y que aplican metodologías diferentes y más complejas a las planteadas, muestran unos resultados que son coherentes con los que se han obtenido en la Tesis Doctoral.