Existen zonas donde la intensidad de la radiación solar es mucho mayor que la recibida en el hemisferio norte. Tal es el caso del Desierto de Atacama, gran parte de África y Australia. De acuerdo con el mapa de recurso solar de Solar GIS, la irradiación global horizontal total en dichas regiones puede exceder los 7 kWh/m2 por día o 2500 kWh/m2 por año (Figura 1) [1].

Figura 1: Irradiación global horizontal en el mundo (https://solargis.com/es/maps-and-gis-data/download/world) (c)The World Bank, Solar resource data: Solargis.

El hecho de que el recurso solar es distintivo para cada lugar es relevante no sólo para el funcionamiento de módulos solares, sino que también para la optimización de las células solares que los conforman. Esto se debe a que la distribución espectral de la radiación solar difiere del estándar global [2-3], mostrando niveles muy altos de irradiación especialmente en el UV (Figura 2 izquierda). Además, la respuesta de las tecnologías PV depende del espectro, por lo que es necesario tener en cuenta las condiciones locales y el tipo de tecnología para optimizar los dispositivos PV, ya que éstos suelen estar diseñados para un rendimiento máximo en condiciones de prueba estándar (STC). Esto es, espectro de referencia con masa de aire 1.5, 1000 W/m2 y 25°C [2].

En este trabajo, desarrollado por un amplio equipo de investigadores de varios centros chilenos y españoles, liderado por la Universidad de Antofagasta, se utilizó el módulo de Semiconductores de COMSOL (COMSOL Semiconductor Module) para modelar una célula solar de silicio cristalino cuando se ilumina con el espectro solar representativo del desierto de Atacama. La Figura 2 (derecha) muestra cómo la interfaz de semiconductores puede predecir la curva característica (IV) de la célula solar. Por ejemplo, se ve que la densidad de corriente bajo el espectro de Atacama es mayor que aquella bajo el espectro de referencia debido a las diferencias entre los espectros. Se predice además un voltaje de circuito abierto menor para el caso de Atacama en comparación a la respuesta bajo iluminación estándar (a 25 °C) debido a la mayor temperatura desarrollada por la célula bajo condiciones de Atacama (63 °C). El modelo permite la optimización por medio de algunos parámetros geométricos y de dopaje que llevan a maximizar la potencia de una célula solar en particular (n-PERT solar en Figura 3). Los parámetros geométricos fueron: El espesor de la célula, del emisor y del back Surface field o BSF. Por otro lado, los parámetros de dopaje fueron: la concentración de dopantes del emisor, de la base y del BSF. La optimización se realizó con MATLAB usando el correspondiente Livelink, de tal modo que se implementó un algoritmo genético para maximizar la potencia de la célula solar a través de los parámetros geométricos y de dopaje descritos, ver referencia [4].

Figura 2. Izquierda: Espectro de referencia estándar (azul) y espectro representativo de Atacama (rojo). Derecha: Curva característica de respuesta usando COMSOL Semiconductor Module.
Figura 3. Estructura de la célula solar n-PERT (p+nn+), donde el “+” indica una alta concentración de dopantes.

Referencias

 [1] ESMAP. 2019. Global Solar Atlas 2.0 Technical Report. Washington, DC: World Bank.
 [2] 'Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiances', Standard G173-03e, The American Society for Testing and Materials, 2006.
 [3] Renewable Energy Volume 127, November 2018, Pages 871-882. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.05.039.
 [4] Nanomaterials 2022, 12(20), 3554; https://doi.org/10.3390/nano12203554.