PRÀCTICA XI

11. ESTUDI D’UNA CÈL·LULA SOLAR DE SILICI

Resum. En aquest treball es mesuraran les característiques I(V) d’una cèl·lula solar de silici, a diferents il·luminacions. Es mesurarà la característica que s’obté quan no hi ha cap altre generador en el circuit fora de l’efecte fotovoltaic (la mateixa cèl·lula solar). Les dades I-V de cada punt de treball s’obtenen aplicant diferents resistències de càrrega a la cèl·lula il·luminada.

11.1. Fonament

Bàsicament, una cèl·lula solar és un díode semiconductor que, en ser il·luminat, produeix un voltatge entre els terminals p i n (Vp > Vn). Si s’aplica a una resistència, R, dóna lloc a un cert corrent elèctric, I.
El camp elèctric present en la unió entre la zona tipus p i la tipus n del díode permet que els parells electró-forat, generat per la absorció d’un fotó, siguin separats (forat cap a zona p i electró cap a zona n) i contribueixin, d’aquesta manera, a la aparició d’un voltatge i/o d’un corrent. En el circuit exterior el fotocorrent va des de la zona p cap a la zona n de la cèl·lula.

Figura 1. Característica I(V) d’una cèl·lula solar i d’una resistència (recta de pendent I/R)

El punt de treball de la cèl·lula queda determinat per la resistència de càrrega externa (R). Per a qualsevol valor de R, la tensió i la intensitat són les corresponents al punt d’intersecció de les característiques I(V) de la cèl·lula i de la resistència (recta de pendent 1/R) (figura 1). En particular, si la resistència de càrrega és infinita (circuit obert), la intensitat és nul·la i la tensió és màxima (Voc). Si la resistència de càrrega és 0 (curtcircuit), la intensitat és màxima (Isc) i la tensió és nul·la.
La potència elèctrica que la cèl·lula subministra a la resistència és el producte V · I (àrea del requadre de la figura 1). El punt de funcionament òptim (PM) és aquell en què aquesta potència és màxima; en aquest punt, l’àrea del rectangle inscrit en la característica I-V és màxim. La tensió i la intensitat d’aquest punt són respectivament VM i IM. El factor de forma (FF) de la cèl·lula es defineix com:

| (1)

La tensió en circuit obert (Voc), la intensitat en curtcircuit (Isc) i el factor de forma (FF) són paràmetres importants que defineixen el comportament de una cèl·lula solar per unes condicions de il·luminació determinades.

11.2. Dispositiu experimental

1 cèl·lula solar de silici amb connectors per als elèctrodes superior i inferior
1 il·luminador amb làmpada halògena, amb possibilitat de variar la distància respecte a la cèl·lula
1 voltímetre (V1) per mesurar la tensió en borns de la cèl·lula
1 voltímetre (V2) amb una resistència (r = 0,2 Ω) en paral·lel (shunt) per mesurar el corrent
1 caixa de resistències variables entre 1 Ω i 10 kΩ per actuar de resistència de càrrega
cables banana-banana

11.3. Procediment experimental

11.3.1. Identificació dels terminals p i n

Utilitzeu el voltímetre V1 per determinar quina és la cara de tipus n i quina la de tipus p de la cèl·lula, tenint present que quan està il·luminada Vp. > Vn.

Figura 2

11.3.2. Característica I(V)

Connecteu tots els elements segons l’esquema de la figura 2 i apliqueu una certa il·luminació situant el focus encès a una distancia d’uns 20 cm.
Variant R (des de R = 0 fins a un valor alt), obteniu la característica I(V) de la cèl·lula en la zona activa (on la cèl·lula subministra potència elèctrica), tenint present que V es llegeix directament a V1 i que I s’obté dividint la lectura de V2 per r = 0,2 Ω.
Cal triar adequadament les resistències de càrrega que utilitzeu. Per això, penseu que el que es pretèn és obtenir punt a punt una corba com la de la figura 1.
No us entretingueu a fer les mesures, per evitar la influència del canvi de temperatura de la cèl·lula, produït pel calor que genera la làmpada. Per la mateixa raó, apagueu la làmpada quan acabeu una sèrie de mesures. Dibuixeu la gràfica corresponent als punts mesurats abans de fer mesures amb una altra separació focus-cèl·lula. Això permet que la cèl·lula es refredi i que les diferents gràfiques s’obtinguin amb condicions inicials semblants.
Canvieu d’il·luminació acostant el focus a distàncies de 15 i 10 cm i repetiu, per a cada cas, les mesures I(V).

Vegeu les imatges de la pràctica

11.4. Elaboració de l’informe

En el full de laboratori representeu les característiques I(V) i la potència subministrada per la cèl·lula en funció de V. A partir d’aquestes representacions determineu les característiques de la cèl·lula per a cada il·luminació.

Qüestions:
• Quantes cèl·lules com l’estudiada caldrien per carregar una bateria de 12 V? Com caldria connectar-les?
• Quin corrent de càrrega es tindria en la sol·lució que es proposa? Com podria augmentar el corrent de càrrega?
• Suposant que la potència de la llum que arriba a la cèl·lula amb el focus a 10 cm és de 0,1 W. Quin és el rendiment, en aquestes condicions, en el punt de funcionament òptim de la cèl·lula?