Modelización de los efectos del texturado en la absorción de la radiación solar por dispositivos fotovoltaicos mediante métodos matriciales y de Monte Carlo

Este Trabajo de Fin de Máster (TFM) pretende hacer un estudio teórico sobre el rendimiento de dispositivos fotovoltaicos centrándose en el texturado de los materiales que lo forman para optimizarlo. A la hora de realizar un estudio, la posibilidad de contar con un modelo de cálculo numérico apropiado resulta ser una valiosa herramienta, dado que una vez construido se puede ahorrar tiempo de pruebas en el laboratorio, así como en materiales al poder realizar testeos preliminares simulados en pos de la optimización, ya que no hay que fabricar una nueva pieza ni consumirla en el proceso. Además, un modelo de este tipo nos perm iteestudiar propiedades que son inaccesibles en el laboratorio, bien porque medirlas suponga alterar el dispositivo o dañarlo, o bien porque simplemente están fuera del alcance, como la temperatura dentro de un volumen. En el mundo empresarial la búsqueda de aumento de la calidad y reducción de costes son unas de sus máximas, con lo que la modelización delos procesos es un paso inevitable e imprescindible en muchísimos sectores de la industria. El modelo simula el comportamiento de la interacción de la luz que llega al dispositivo, el cual constará de dos partes diferenciadas, un cálculo coherente de esta interacción que será determinista y otro incoherente que tendrá una naturaleza probabilística. El estudio está centrado principalmente en las diferencias de los dispositivos cuando estén sin texturar o cuando tengan una disposición irregular del texturado. Como en todo proceso de modelización las propiedades de los materiales son de vital importancia si se quieren obtener unos resultados lo más reales posibles. La obtención de estos datos no es siempre algo fácil o suficientemente preciso y en ocasiones la colección de datos que se tiene son aproximadas, ya que la variación de alguna propiedad externa, como la temperatura, puede tener un impacto en el valor real de la magnitud que consideramos. No es el objetivo de este trabajo ahondar en este tema, pero merece la pena destacar que la recolección de buenos datos de entrada es un factor muy importante a la hora de obtener resultados satisfactorios. El estudio clásico de la interacción de la luz con la materia viene descrito en el formalismo de la Electrodinámica haciendo uso de las famosas Ecuaciones de Maxwell, con ellas, y gracias a la colección de propiedades de los materiales, se podrá hacer un primer estudio del comportamiento del dispositivo. El análisis y manipulación de las ecuaciones del Electromagnetismo en las fronteras de diferentes medios materiales lleva a las Ecuaciones de Fresnel que relacionan el campo incidente con el reflejado y el refractado. Cuando se tiene un sistema multicapa esta idea se puede continuar para obtener las ecuaciones que determinan el estado de los campos dentro del dispositivo. Con esto se ve la estrecha relación de dos campos de la Física como son el Electromagnetismo y la Óptica, ya que de estudios y consideraciones fundamentalmente electromagnéticas se obtendrán algunas de las ecuaciones más importantes de la Óptica clásica. Hasta el momento no se ha hablado del texturado de los materiales, la trazabilidad de los campos electromagnéticos (la energía a fin de cuentas) puede ser más o menos complicada pero se realiza a través de unas ecuaciones totalmente deterministas y bien conocidas. Cuando el texturado sea importante las condiciones de frontera de los materiales serán o bien muy complicadas o bien desconocidas, eso introducirá un grado de “ignorancia” en nuestro estudio que habrá de ser tenido en cuenta, parte de la energía que antes se sabía dónde se encontraba ahora quedará dispersada. Para cuantificar qué ocurre con esta energía habrá que utilizar métodos estadísticos que permitan dar con el resultado más probable. El trabajo intentará servir de introducción en las bases del cálculo numérico estadístico con la inclusión del concepto de números aleatorios, haciendo hincapié en de dónde surgen y por qué son tan necesarios. A continuación introducirá el cálculo de Monte Carlo y probabilidades. El presente trabajo explicará en detalle el programa construido, así como sus puntos fuertes y el alcance que tiene, para ello pasará por una fase de testeo intentando reproducirlos datos experimentales que se dispongan y por último una de predicción de resultados de una estructura determinada. El trabajo persigue además comprender, no solo calcular, las diferencias entre dispositivos planos y dispositivos rugosos y cuáles podrían ser los siguientes pasos para mejorar y generalizar este tipo de modelos. Este Trabajo de Fin de Máster (TFM) pretende hacer un estudio teórico sobre el rendimiento de dispositivos fotovoltaicos centrándose en el texturado de los materiales que lo forman para optimizarlo. A la hora de realizar un estudio, la posibilidad de contar con un modelo de cálculo numérico apropiado resulta ser una valiosa herramienta, dado que una vez construido se puede ahorrar tiempo de pruebas en el laboratorio, así como en materiales al poder realizar testeos preliminares simulados en pos de la optimización, ya que no hay que fabricar una nueva pieza ni consumirla en el proceso. Además, un modelo de este tipo nos perm iteestudiar propiedades que son inaccesibles en el laboratorio, bien porque medirlas suponga alterar el dispositivo o dañarlo, o bien porque simplemente están fuera del alcance, como la temperatura dentro de un volumen. En el mundo empresarial la búsqueda de aumento de la calidad y reducción de costes son unas de sus máximas, con lo que la modelización delos procesos es un paso inevitable e imprescindible en muchísimos sectores de la industria. El modelo simula el comportamiento de la interacción de la luz que llega al dispositivo, el cual constará de dos partes diferenciadas, un cálculo coherente de esta interacción que será determinista y otro incoherente que tendrá una naturaleza probabilística. El estudio está centrado principalmente en las diferencias de los dispositivos cuando estén sin texturar o cuando tengan una disposición irregular del texturado. Como en todo proceso de modelización las propiedades de los materiales son de vital importancia si se quieren obtener unos resultados lo más reales posibles. La obtención de estos datos no es siempre algo fácil o suficientemente preciso y en ocasiones la colección de datos que se tiene son aproximadas, ya que la variación de alguna propiedad externa, como la temperatura, puede tener un impacto en el valor real de la magnitud que consideramos. No es el objetivo de este trabajo ahondar en este tema, pero merece la pena destacar que la recolección de buenos datos de entrada es un factor muy importante a la hora de obtener resultados satisfactorios. El estudio clásico de la interacción de la luz con la materia viene descrito en el formalismo de la Electrodinámica haciendo uso de las famosas Ecuaciones de Maxwell, con ellas, y gracias a la colección de propiedades de los materiales, se podrá hacer un primer estudio del comportamiento del dispositivo. El análisis y manipulación de las ecuaciones del Electromagnetismo en las fronteras de diferentes medios materiales lleva a las Ecuaciones de Fresnel que relacionan el campo incidente con el reflejado y el refractado. Cuando se tiene un sistema multicapa esta idea se puede continuar para obtener las ecuaciones que determinan el estado de los campos dentro del dispositivo. Con esto se ve la estrecha relación de dos campos de la Física como son el Electromagnetismo y la Óptica, ya que de estudios y consideraciones fundamentalmente electromagnéticas se obtendrán algunas de las ecuaciones más importantes de la Óptica clásica. Hasta el momento no se ha hablado del texturado de los materiales, la trazabilidad de los campos electromagnéticos (la energía a fin de cuentas) puede ser más o menos complicada pero se realiza a través de unas ecuaciones totalmente deterministas y bien conocidas. Cuando el texturado sea importante las condiciones de frontera de los materiales serán o bien muy complicadas o bien desconocidas, eso introducirá un grado de “ignorancia” en nuestro estudio que habrá de ser tenido en cuenta, parte de la energía que antes se sabía dónde se encontraba ahora quedará dispersada. Para cuantificar qué ocurre con esta energía habrá que utilizar métodos estadísticos que permitan dar con el resultado más probable. El trabajo intentará servir de introducción en las bases del cálculo numérico estadístico con la inclusión del concepto de números aleatorios, haciendo hincapié en de dónde surgen y por qué son tan necesarios. A continuación introducirá el cálculo de Monte Carlo y probabilidades. El presente trabajo explicará en detalle el programa construido, así como sus puntos fuertes y el alcance que tiene, para ello pasará por una fase de testeo intentando reproducirlos datos experimentales que se dispongan y por último una de predicción de resultados de una estructura determinada. El trabajo persigue además comprender, no solo calcular, las diferencias entre dispositivos planos y dispositivos rugosos y cuáles podrían ser los siguientes pasos para mejorar y generalizar este tipo de modelos