[ INSTRUMENTACIÓN ]
Caracterización de células fotovoltaicas
con el fuente-medidor digital de Keithley 2420
Artículo cedido por Instrumentos de Medida, S.L.
Fuente-Medidor modelo 2420 de Keithley
Las células fotovoltaicas (CF) convierten la luz solar directamente en electricidad. Fabricadas con una amplia variedad de materiales usando distintas técnicas de proceso, estos elementos se usan para generar energía en aplicaciones espaciales, terrestres, militares, comerciales. La caracterización de una CF incluye la medida de las características del rendimiento eléctrico para determinar la eficencia de conversión y los parámetros críticos del circuito equivalente. Es una herramienta para I+D y producción de células y matrices fotovoltaicas.
Este artículo de aplicación describe cómo usar el Keithley Modelo 2420 para medir las características de voltaje y corriente de una célula fotovoltaje.
Con la introducción del SMU (unidad fuente -medidor) los sistemas de caracterización de configuración del aparato que antes requerían un paquete de elementos electrónicos, incluyendo unidades de potencia programables, multímetros digitales, y escáneres, han sido simplificados de forma muy significativa.
El modelo 2420 es capaz de producir una fuente/sumidero superior a 3A con un 1 por 100 de precisión y su bajo ruido, alta impedancia, y DMM ofrece una alternativa de buen coste para usar caras fuentes de alimentación de alta potencia para las características de las CF. El modelo 2420 ofrece 50mV de resolución en el rango de 2V, que es sufiente para medir la curva I-V de cualquier célula. El rango de 20V ofrece una resolución adecuada (500mV) para células en unión múltiple y pequeñas matrices, donde el voltaje del circuito abierto puede exceder de 2V. La capacidad del modelo 2420 de medir bajas corrientes, con una resolución máxima de 10 pA en el rango de corriente de 10 mA es suficiente para las aplicaciones I-V oscuras.
Figura 1.- Circuito equivalente de célula fotovoltaica
Figura 2.- Curva característica I-V de una célula de silicio
Una CF se puede representar mediante un circuito equivalente como el que muestra la Figura 1. Consiste en una fuente de corriente de fotones (IL), un diodo, una resistencia en serie rs, y una resistencia en paralelo rsh. La resistencia en serie representa la pérdida en ohmios en la superficie frontal de la célula y la resistencia en paralelo la pérdida debida a la corriente de pérdida del diodo.El rendimiento de conversión (n) se define como:
n=Pm/Pin
y el factor de llenado FF como:
FF=ImVm/IscVoc
donde Pin es la potencia de entrada a la célula, Voc es el voltaje del circuito abierto, Isc la corriente de cortocircuito, e Im y Vm son la máxima corriente y el máximo voltaje de la celda para una máxima potencia, Pm=ImVm. La Figura 2 muestra la típica curva característica de una célula de silicio, mostrando Im y Vm al máximo punto de potencia.
Los parámetros de diseño críticos de la CF como las resistencias en paralelo y en serie el rendimiento de conversión y el FF, se pueden determinar a partir de medidas de I-V. La célula se debe mantener a una temperatura constante y la fuente de radiación con una intensidad constante y se debe usar una distribución espectral conocida.
Polarización directa I-V (iluminado)
Esta prueba implica la generación de la curva de polarización directa I-V entre dos puntos (V1=0, I1=Isc) y (V2=Voc, I2=0). Los parámetros Voc y Isc se pueden obtener directamente de la curva, e Im,Vm, FF y h son fáciles de calcular. Se pueden usar técnicas analíticas adicionales para determinar rs y rsh.
Polarización inversa I-V (oscura)
El test de la curva de la polarización inversa se realiza a oscuras entre 0V y el valor donde el fallo empieza a ocurrir. En esta región, la pendiente de la características de V-I se puede usar para estimar el valor de la resistencia en paralelo rsh.
Figura 3.- Configuración de medida
Configuración y sistema de prueba
La Figura 3 muestra la configuración de medida para la generación de las características de la polarización directa iluminada, usando el modelo 2420 y una conexión de 4 cables a la célula para minimizar los errores de medida. Un simulador solar suministra una iluminación aproximada para la celda, y un plato refrigerado y al vacío protege a la célula y suministra las perfectas condiciones de la prueba de medida.
La resistencia en serie rs de una célula es baja, normalmente <1W para células que trabajan en condiciones de 1 sol y <0,1W para células concentradas. Como resultado, el contacto directo de la barra conductora de la célula con dos sondas diseñadas especialmente es esencial para obtener unas medidas de precisión de la polarización directa (I-V).
La Figura 4 es un esquema de la configuración de medida para generar las características de la polarización indirecta a oscuras. Si la corriente inversa a oscura que se debe medir es >1mA, la configuración de 4 cables dará medidas de precisión. Para corrientres <1mA, la corriente parásita de pérdida en los cables y en los accesorios, puede dar error y ruido en las medidas.
Se pueden usar dos métodos para eliminar o reducir estas dos fuentes de errores. La primera requiere usar materiales de alta resistencia cuando se construye la instalación de prueba, y mantener la instalación libre de contaminantes. El segundo método se sirve del montaje de protección añadido del modelo 2420. En la Figura 4, la protección de salida V-W del modelo 2420 es una fuente de baja impedancia, aproximadamente el mismo potencial que el punto de alta impedancia, Hi . En este circuito se usa la protección para asegurar que el contacto de la campana de protección quede aislado del circuito. La campana de protección se construye a partir de materiales aislantes, pero la contaminación puede causar una rotura en la resistencia e introducir corrientes medibles parásitas. El plato protector bajo la campana, aproximadamente al mismo potencial que la campana en contacto con el plato, asegura que ninguna corriente pueda crecer a través de la campana, sino que la corriente medida pase a través de la célula.
Un programa ejemplo se ha desarrollado para generar las curvas V-I de la polarización directa, de la polarización inversa, para medir Isc, Voc, Im, Vm, Pm, y calcular FF y h. El programa fue creado en TestPoint. Este programa se puede usar también con las tarjetas de interfaz KPC-488.2 o KPC-488.2AT IEEE-488.
Una copia del programa ejemplo se puede conseguir a través de la página web de Keithley (http://www.keithley.com)
o en el servidor ftp (ftp://ftp.keithley.com/pub/instr/testpt/sunpower.exe).
El equipamiento requerido para ensamblar un sistema de caracterización de una CF y ejecutar el programa ejemplo, es el siguiente:
1.	Fuente-Medidor digital de Keithley modelo 2420.
2.	PC con una tarjeta interfaz Keithley KPC-488.2
3.	Fuente de iluminación (simulador solar).
4. Cable de interfaz Keithley 7007 IEEE-488
5.	Mecanismo controlador de la temperatura
6.	Terminales de prueba (4 cables) y sonda de 2 puntos de contacto ajustable.
Para la caracterización de CF donde el máximo valor de Isc es <1A, se puede sustituir el modelo de fuente medidor digital 2400 por el 2420. El modelo 2400 ofrece lo mismo que el 2400 excepto que la corriente máxima se salida está limitada a 1 A. Para dispositivos donde la corriente inversa oscura es <1nA, la unidad fuente-medidor modelo 238 ofrece medidas de la corriente de protección con resolución por debajo de 10fA y una capacidad de fuente superior a 1A, así, se podría sustituir por un instrumento fuente-medidor.
Figura 4.- Configuración de circuito de protección para corrientes inversas oscuras < 1mA.