Automatización de un sistema de medidas de electro- y fotoluminiscencia para células solares

ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES GRADO EN INGENIERIA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA TRABAJO FIN DE GRADO TÍTULO: AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDIDAS DE ELECTRO- Y FOTOLUMINISCENCIA PARA CÉLULAS SOLARES AUTOR: ÁLVARO BLANCO ESCRIBANO DEPARTAMENTO: FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA, CRISTALOGRAFÍA Y MINERALOGÍA TUTOR: JORGE SERRANO GUTIÉRREZ COTUTOR: CRISTIAN TERRADOS LÓPEZ P á g i n a 1 | 76 P á g i n a 2 | 76 AGRADECIMIENTOS La realización de este proyecto no habría sido posible sin todas aquellas personas que, de alguna forma, han colaborado y han sido participes de este trabajo. A todas ellas van dirigidos mis agradecimientos. A mi TUTOR, Dr. Jorge Serrano Gutiérrez y mi COTUTOR, Cristian Terrados López, por su apoyo y dedicación recibidos durante todo el proceso de elaboración de este proyecto, así como por darme la oportunidad de realizar este proyecto con el que tanto he disfrutado. Al Grupo de Semiconductores Optronlab y en general a todos los miembros del laboratorio por toda la ayuda recibida. A mi FAMILIA, a mi madre Ana Isabel Escribano, a mi padre Antonio Luis Blanco a mi hermano Javier Gerónimo Blanco, y a mi PAREJA, María Jáñez por hacer posible la consecución, no solo de este trabajo fin de grado (TFG), sino de toda mi carrera en la universidad a lo largo de estos años. A mis AMIGOS, a todos ellos a los que estando más cerca o estando más lejos, siempre han tenido, tienen y tendrán las palabras de apoyo necesarias que le hacen a uno seguir hacia delante. A CALATRAVA, por darme un lugar al que llamar hogar y sus buenos momentos. Y en general a todos aquellos que de alguna manera me han ayudado. En especial a mi abuelo Severino Escribano, a quien extraño cada día. P á g i n a 3 | 76 P á g i n a 4 | 76 RESUMEN del TRABAJO FIN DE GRADO TÍTULO: AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDIDAS DE ELCTRO- Y FOTOLUMINISCENCIA PARA CÉLULAS SOLARES GRADO: INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA TUTOR: JORGE SERRANO GUTIÉRREZ COTUTOR: CRISTIAN TERRADOS LÓPEZ AUTOR: ÁLVARO BLANCO ESCRIBANO RESUMEN: Este TFG trata sobre el diseño y programación de una aplicación en Python que permita controlar un láser de alta potencia, capturar imágenes de una cámara, y sincronizar medidas de foto- y electroluminiscencia con una fuente de alimentación para poder tomar medidas en on y off. El objetivo de este trabajo es automatizar en la medida de lo posible el proceso antes descrito, reduciendo la manipulación de los equipos por acción humana. De esta manera se mejoran las condiciones de trabajo personal y se facilita el proceso de obtención de datos y resultados con mayor rapidez. Para desarrollar el programa se ha elegido desarrollarlo en Python ya que es un lenguaje de programación de alto nivel que se utiliza para desarrollar aplicaciones de todo tipo. A diferencia de otros lenguajes como Java o .NET, se trata de un lenguaje interpretado, es decir, que no es necesario compilarlo para ejecutar las aplicaciones escritas en Python, sino que se ejecutan directamente en el ordenador utilizando un programa denominado interpretador, por lo que no es necesario “traducirlo” a lenguaje máquina. Los instrumentos que se han utilizado para este proyecto han sido una fuente de alimentación modelo CPX400D de AIM-TTi, un sistema diodo láser DS3-11312-101- K635F09FN-0.40W de BWT Beijing y una cámara digital DCAM-API. P á g i n a 5 | 76 INDICE MEMORIA ...........................................................................................................................9 1.INTRODUCCIÓN AL PROYECTO.......................................................................................9 1.2 EFECTO FOTOELÉCTRICO .............................................................................................9 1.3 EFECTO FOTOVOLTAICO............................................................................................ 13 1.3.1 LUMINISCENCIA ................................................................................................. 14 1.4 APLICACIONES DEL EFECTO-FOTOVOLTAICO .............................................................. 16 1.5 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ............................................................................... 16 1.6 CÉLULA SOLAR .......................................................................................................... 18 1.7 PANELES SOLARES .................................................................................................... 20 1.8 TIPOS DE INSTALACIONES ......................................................................................... 21 1.8 INSTALACIÓN RED ELÉCTRICA ................................................................................... 23 METODOLOGÍA.................................................................................................................. 24 2. OBJETIVOS Y EQUIPO UTILIZADO .................................................................................... 24 2.1 DESCRIPCIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN ....................................................... 26 2.2 DESCRIPCIÓN DEL DIODO LÁSER ............................................................................... 27 2.3 DESCRIPCIÓN DE LA CÁMARA DIGITAL ...................................................................... 29 3. APLICACIÓN DE AUTOMATIZACIÓN ................................................................................ 32 3.1 PHYTON ................................................................................................................... 32 3.1.1 ORIGEN.............................................................................................................. 32 3.1.2 BENEFICIOS DE PHYTON FRENTE A OTROS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN ........ 32 3.1.3 APLICACIONES PARA SU USO .............................................................................. 33 3.2 FUNCIONAMIENTO APLICACIÓN ............................................................................... 36 3.3 PANTALLA PRINCIPAL ............................................................................................... 37 3.4 CONEXIÓN PUERTO SERIE ......................................................................................... 38 3.5 CONTROL ELECTROLUMINISCENCIA........................................................................... 39 3.6 CONTROL FOTOLUMINISCENCIA................................................................................ 41 3.7 HIPIC ........................................................................................................................ 43 3.7.1 CAPTURA DE IMÁGENES ..................................................................................... 44 4.CAPTURAS ...................................................................................................................... 48 4.1 CAPTURAS FOTOLUMINISCENCIA .............................................................................. 48 4.2 CAPTURAS ELECTROLUMINISCENCIA ......................................................................... 50 5. TRATAMIENTO DE IMÁGENES......................................................................................... 52 5.1 REDUCCIÓN DEL RUIDO Y AJUSTE DEL CONTRASTE .................................................... 53 P á g i n a 6 | 76 5.2 APLICACIÓN DE LUTs ................................................................................................ 57 6. RESULTADOS DE LAS IMÁGENES ..................................................................................... 58 7. ANALISIS CUALITATIVO DE LAS IMAGENES EN LAS CELULAS SOLARES .............................. 61 8. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO............................................................................... 66 9. ANEXOS ......................................................................................................................... 68 P á g i n a 7 | 76 INDICE DE IMAGENES Imagen 1: Efecto fotoeléctrico ..............................................................................................9 Imagen 2: Expulsión del electrón por medio de fotones incidentes........................................ 10 Imagen 3:Gráfica de energía de la luz en función de su longitud de onda ............................... 12 Imagen 4: Ejemplo funcionamiento material PN para generar energía eléctrica ..................... 13 Imagen 5: Materiales tipo N y tipo P .................................................................................... 14 Imagen 6: Distribución de W/m^2 en la superficie de la tierra............................................... 17 Imagen 7: Instalación fotovoltaica de uso en el hogar ........................................................... 18 Imagen 8: Estructura célula solar......................................................................................... 18 Imagen 9: Panel solar fotovoltaico ...................................................................................... 20 Imagen 10: Tipos de paneles fotovoltaicos con sus respectivas células .................................. 21 Imagen 11: Instalación de autoconsumo .............................................................................. 22 Imagen 12: Instalación red eléctrica .................................................................................... 23 Imagen 13: Vista exterior e interior de la estación de trabajo ................................................ 24 Imagen 14: Vista de la oblea de silicio y de la cámara en su posición de operación ................ 25 Imagen 15: Vista frontal de la fuente de alimentación .......................................................... 26 Imagen 16: Vista trasera de la fuente de alimentación.......................................................... 26 Imagen 17: Vista frontal del sistema del diodo láser ............................................................. 27 Imagen 18: Vista trasera del sistema de diodo láser.............................................................. 28 Imagen 19: Sistema de sujeción para el haz diodo láser ........................................................ 28 Imagen 20: Cámara C14041-10U ......................................................................................... 30 Imagen 21: Lente para captar las imágenes de PL y EL .......................................................... 30 Imagen 22: Vista frontal fuente alimentación ....................................................................... 31 Imagen 23: Vista trasera fuente alimentación ...................................................................... 31 Imagen 24: Pantalla principal de la aplicación ...................................................................... 37 Imagen 25: Pantalla principal de la aplicación. Ventana selección puerto serie....................... 38 Imagen 26: Ventana selección puerto serie .......................................................................... 38 Imagen 27: Pantalla principal de la aplicación. Método control por fuente ............................ 39 Imagen 28: Mando de control de la fuente de alimentación.................................................. 40 Imagen 29: Visualización estado de la fuente de alimentación .............................................. 40 Imagen 30: Pantalla principal de la aplicación. Método control por diodo láser ..................... 41 Imagen 31: Mando de control del diodo láser ...................................................................... 41 Imagen 32: Visualización estado del diodo láser ................................................................... 42 Imagen 33: Pantalla de inicio de Hipic.................................................................................. 44 Imagen 34: Pantalla de principal de Hipic ............................................................................. 45 Imagen 35: Herramientas de Hipic....................................................................................... 45 Imagen 36: Vista de la captura de la célula solar................................................................... 46 Imagen 37: Mensaje de Hipic para guardar la captura........................................................... 47 Imagen 38: Carpeta de capturas de Hipic ............................................................................. 47 Imagen 39: Prueba fotoluminiscencia de 0.5 W .................................................................... 48 Imagen 40: Prueba fotoluminiscencia de 1.0 W .................................................................... 48 Imagen 41: Prueba fotoluminiscencia de 1.5 W .................................................................... 48 Imagen 42: Prueba fotoluminiscencia de 2.0 W .................................................................... 48 Imagen 43: Prueba fotoluminiscencia de 5.0 W .................................................................... 49 Imagen 44: Prueba fotoluminiscencia de 8.0 W .................................................................... 49 P á g i n a 8 | 76 Imagen 45: Prueba fotoluminiscencia de 10.0 W .................................................................. 49 Imagen 46: Prueba fotoluminiscencia de 15.0 W .................................................................. 51 Imagen 47: Prueba electroluminiscencia de 0.8 A ................................................................. 50 Imagen 48: Prueba electroluminiscencia de 1.0 A ................................................................. 50 Imagen 49: Prueba electroluminiscencia de 2.5 A ................................................................. 50 Imagen 50: Prueba electroluminiscencia de 3.5 A ................................................................. 50 Imagen 51: Prueba electroluminiscencia de 8.0 A ................................................................. 51 Imagen 53: Prueba electroluminiscencia de 10.0 A ............................................................... 51 Imagen 54: Ventana principal de control del software para tratamiento de imágenes Fiji ....... 52 Imagen 55: Ventaja ajuste contraste software Fiji ................................................................ 53 Imagen 56: Contraste ajustado de manera manual e histograma.......................................... 54 Imagen 57: Contraste ajustado de manera automática e histograma .................................... 55 Imagen 58: Ajuste de ruido con una amplia área de pixeles alta y un nivel de desviación bajo. 56 Imagen 59: Ajuste de ruido con una amplia área de pixeles baja y un nivel de desviación alto. 56 Imagen 60: Diferentes Look Up Tables aplicadas sobre la oblea............................................. 57 Imagen 61: Pruebas de fotoluminiscencia de 0.5 A y 1.0 A respectivamente. Ajuste contraste ......................................................................................................................................... 58 Imagen 62: Pruebas de fotoluminiscencia de 0.5 A y 1.0 A respectivamente. Ajuste ruido ..... 59 Imagen 63: Pruebas de fotoluminiscencia de 0.5 A y 1.0 A respectivamente. Aplicación LUTs . 59 Imagen 64: Pruebas de fotoluminiscencia de 0.5 W y 1.0 W respectivamente. Ajuste contraste ......................................................................................................................................... 60 Imagen 65: Pruebas de fotoluminiscencia de 0.5 W y 1.0 W respectivamente. Reducción ruido ......................................................................................................................................... 60 Imagen 66: Pruebas de fotoluminiscencia de 0.5 W y 1.0 W respectivamente. Aplicación LUTs ......................................................................................................................................... 61 Imagen 67: Muestra ensayo fotoluminiscencia una vez aplicadas todas las correcciones ........ 63 Imagen 68: Muestra con el ajuste 6 shades de LUTs en Fiji.................................................... 64 Imagen 69: Muestra con el ajuste 16 colors de LUTs en Fiji ................................................... 64 Imagen 70: Muestra con el ajuste blue-orange-igb de LUTs en Fiji ......................................... 65 P á g i n a 15 | 76 La emisión intrínseca aparece como una banda de energías de distribución casi normal a temperatura ambiente, con el foco de intensidad para la energía de banda prohibida, banda gap, Eg, h  = Eg. Esto es debido a la recombinación de electrones de la banda de conducción y de huecos en la banda de valencia, siendo por tanto una propiedad intrínseca del material. La emisión extrínseca depende de las impurezas y, por ende, no es intrínseca a la naturaleza del semiconductor. Estas bandas de emisión extrínsecas se activan por átomos de impurezas y otros defectos de la red cristalina del material, siendo la emisión característica de la propia impureza o defecto. Esto hace posible determinar en algunos casos la concentración de impurezas o defectos del material a partir de la intensidad relativa de la emisión extrínseca e intrínseca. Dependiendo del tipo de fuente de excitación, existen varias formas de luminiscencia, como son: 1. Fotoluminiscencia. 2. Electroluminiscencia. 3. Termoluminiscencia. 4. Quimioluminiscencia. 5. Triboluminiscencia. En el diagnóstico y estudio de las células solares nos vamos a centrar en dos de estos fenómenos: la fotoluminiscencia y la electroluminiscencia: • Fotoluminiscencia: La Fotoluminiscencia es un tipo de luminiscencia en la que el agente excitador de los pares electrón-hueco es un fotón con energía suficiente para vencer la energía de banda prohibida y así elevar un electrón a un estado de excitación mayor. Una vez en ese estado de excitación mayor, el electrón decae emitiendo calor hasta llegar al mínimo de la banda inferior de conducción, desde donde se produce la recombinación radiativa de un par electrón-hueco y se emite un fotón. A nivel macroscópico, el conjunto de esos fotones emitidos es lo que denominaremos fotoluminiscencia. • Electroluminiscencia: Es un tipo de luminiscencia en la que la excitación necesaria para elevar un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción se efectúa inyectando portadores mediante una corriente P á g i n a 16 | 76 eléctrica. Cuando el par electrón-hueco se recombina de forma radiactiva emite luminiscencia, la cual denominaremos electroluminiscencia. 1.4 APLICACIONES DEL EFECTO-FOTOVOLTAICO Además de la fotovoltaica ya explicada, el efecto fotoeléctrico se utiliza en una gran cantidad de dispositivos, incluyendo fotocopiadoras, electrificación de viviendas rurales, conexión a red, tratamiento de aguas, señalizaciones, medidores de luz e incluso componentes electrónicos como fotodiodos, fototransistores, optoacopladores, etc… Otra aplicación para el efecto fotoeléctrico son los centelladores o detectores de radiación. Un centellador es un dispositivo que emitirá luz cuando detecta radiación de una fuente de luz en el laboratorio o de una fuente cósmica (del espacio). 1.5 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA El Sol es la fuente principal de vida en la Tierra. Puede satisfacer todas nuestras necesidades de energía si sabemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente extiende sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia. La importancia del aprovechamiento de la energía solar proviene de: Es una fuente inagotable, accesible y gratuita, y existe una necesidad de electricidad cada vez mayor en el mundo y cada vez se van buscando nuevos modelos de generación de energía más respetuosos con el entorno. La cantidad de energía que el Sol vierte diariamente sobre la Tierra es diez mil veces mayor que la que se consume al día en todo el Planeta. España está favorecida por su situación geográfica y climatología para aprovechar este tipo de energía. La energía solar llega a nuestro planeta Tierra en forma de radiación electromagnética procedente del Sol (luz y calor). Esta energía la podemos aprovechar para convertirla en energía eléctrica u otro tipo de energía útil [4]. P á g i n a 17 | 76 Imagen 6: Distribución de W/m^2 en la superficie de la tierra Fuente: http://tecno.iesvegadelturia.es/apuntes/tecind1/Tema_3/solar.html La imagen anterior muestra la distribución de irradiancia (W/m2) a lo largo de la superficie de la tierra, donde se pueden apreciar que las zonas que tienen menor irradiancia adquieren un tono azulado y aquellas donde la irradiancia es mayor varían desde un tono verdoso hasta un tono rojizo donde la irradiancia alcanza valores máximos. La conversión de luz en energía eléctrica se realiza por medio de los Paneles Solares Fotovoltaicos: placas que suelen estar hechas de silicio cristalino y que por su composición convierten la luz del sol en electricidad gracias al efecto fotoeléctrico que se ha explicado anteriormente. Están compuestos de células solares, también denominadas indistintamente como celdas solares o células fotovoltaicas. P á g i n a 18 | 76 Fuente: https://solartik.ar/energia-solar-fotovoltaica-paneles-solares/ 1.6 CÉLULA SOLAR ESTRUCTURA DE UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA La estructura simplificada de una célula fotovoltaica se muestra en ella podemos apreciar los principales elementos o secciones que la conforman. A continuación, se da una breve definición de cada uno de estos elementos [5]: Imagen 8: Estructura célula solar Fuente: Asignatura de electrónica de potencia de sistemas de energía alternativa Imagen 7: Instalación fotovoltaica de uso en el hogar P á g i n a 19 | 76 • Una capa antireflexiva (capa AR), diseñada para reducir al máximo las pérdidas por reflexión superficial. El espesor y el índice de refracción de esta capa se diseñan de forma que la reflectancia sea mínima para ciertas longitudes de onda y en un intervalo lo más amplio posible del espectro solar. Además de estas capas, muchas células presentan superficies dotadas de surcos, micropirámides y otras texturas creadas para reducir aún más las pérdidas por reflexión. • Una malla de metalización, pero que puede presentar formas diversas. El diseño de esta malla de metalización es crítico puesto que debe garantizar una colección adecuada de los electrones del dispositivo, sin introducir una resistencia eléctrica elevada, pero al mismo tiempo debe dejar pasar la mayor cantidad de luz posible al interior del dispositivo. Su parámetro más característico es el factor de sombra, Fs., que mide la cantidad de superficie ocupada por los dedos metálicos respecto al área total del dispositivo. • Las capas activas de material semiconductor, en el que distinguimos entre las dos regiones que forman la unión p − n. Habitualmente, estas capas activas aparecen depositadas o crecidas sobre un sustrato más grueso que confiere mayor resistencia mecánica al conjunto. Además del tipo y la calidad del semiconductor empleados, el espesor de las capas y la densidad o concentración de impurezas influyen notablemente en el rendimiento final de la célula. • El contacto metálico posterior, que suele realizarse metalizando toda la superficie del dispositivo cuando no existe el requisito de que ésta reciba luz por su parte posterior. A partir de esta estructura básica, las células solares han sufrido numerosas modificaciones e innovaciones con el fin de conseguir mayores eficiencias de conversión. Por ejemplo, el caso de algunas células de concentración o algunas realizadas con tecnologías de lámina delgada, dispositivos más sofisticados pueden presentar más de una unión en su estructura (dispositivos tándem o multiunión), o una o varias uniones p-n formadas por distintos materiales P á g i n a 20 | 76 semiconductores (dispositivos de heterounión). Aparecen además capas adicionales para mejorar el crecimiento de las secciones activas sobre un sustrato, acoplar constantes de red entre distintos materiales, permitir el crecimiento de unas células sobre otras, transferir portadores de carga de una a otra sección sin pérdidas, etc… 1.7 PANELES SOLARES Son dispositivos que captan la energía de la radiación solar para su aprovechamiento. Están formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad y suelen fabricarse con silicio cristalino o arseniuro de galio (específicamente para uso fotovoltaico). Imagen 9: Panel solar fotovoltaico Fuente: https://computerhoy.com/noticias/life/desentranan-misterio-fotosintesis-permitira-optimizar-paneles- solares-577147 Ahora que hemos mejorado en el control de la tecnología de producción debido al desarrollo en microelectrónica, transistores, procesadores y dado que el silicio gracias a sus propiedades tanto físicas como químicas (abundante, económico, producción de uniones p-n en un rango de espectro solar de gran emisión), favorecen el efecto fotovoltaico, este es el material que se usa más para la fabricación de las células. Dichas células se pueden dividir en tres subcategorías: P á g i n a 21 | 76 1. Células de silicio monocristalino constituidas por un único cristal de silicio, presentan un color azul oscuro uniforme 2. Células de silicio policristalino constituidas por un conjunto de cristales de este material, lo que provoca que tengan un rendimiento algo inferior frente a las monocristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso. 3. Células de silicio amorfo menos eficientes que las anteriores, pero más económicas. Fuente: https://ecofener.com/blog/tipos-de-paneles-solares/ 1.8 TIPOS DE INSTALACIONES Una instalación solar fotovoltaica (ISFV) es el conjunto de elementos destinados a convertir la radiación solar en energía eléctrica por medio de las placas o paneles solares fotovoltaicos [6]. Estas instalaciones pueden estar conectadas a la red eléctrica, para vender la energía producida, o pueden ser para autoconsumo (aisladas de la red). Imagen 10: Tipos de paneles fotovoltaicos con sus respectivas células P á g i n a 22 | 76 INSTALACIÓN DE AUTOCONSUMO Se emplean en localidades lejanas, que no tienen acceso a la red pública: instalaciones rurales, iluminación de áreas aisladas, telecomunicaciones, balizas o boyas de señalización y bombeo de agua. Estas instalaciones posibilitan dos tipos de suministros según sea el tipo de distribución: · El sistema centralizado Consiste en un único gran sistema que cubre las necesidades de un conjunto de usuarios. La ventaja es disminuir los costos del sistema manteniendo la calidad del suministro. · El sistema descentralizado Consiste en la instalación de un sistema individual completo en cada vivienda para cubrir sus necesidades; al contrario del anterior, este tiene un mayor costo. Imagen 11: Instalación de autoconsumo Fuente: https://www.helioesfera.com/como-funciona-un-sistema-fotovoltaico-de-autoconsumo/ P á g i n a 23 | 76 1.8 INSTALACIÓN RED ELÉCTRICA En este caso, la red pública actúa como un disipador de energía infinita y acepta toda la energía disponible del sistema fotovoltaico, tanto de centrales fotovoltaicas como de los instalados en viviendas y edificios. Este sistema requiere de condiciones de funcionamiento diferentes a la solución aislada, no necesita de subsistema de almacenamiento, y el sistema de regulación cumple la función de indicar al inversor de energía la disponibilidad en cada momento en los paneles (el punto de máxima potencia); este sistema conlleva, además, un beneficio económico: "huertos solares". Imagen 12: Instalación red eléctrica Fuente: https://www.greenteach.es/la-energia-solar-todo-sobre-ella/ P á g i n a 24 | 76 METODOLOGÍA 2. OBJETIVOS Y EQUIPO UTILIZADO El objetivo de este trabajo es automatizar en la medida de lo posible el proceso de obtención de imágenes de los ensayos de fotoluminiscencia y electroluminiscencia, reduciendo la manipulación de los equipos por acción humana para que de esta manera se mejoran las condiciones de trabajo personal y se facilita el proceso de obtención de datos y resultados con mayor rapidez. Los componentes que se han utilizado en todo el proyecto son los siguientes: Para la toma de medidas e imágenes se ha utilizado el armario de la imagen 13 en cuyo interior se encuentran los soportes para la cámara, así como el diodo láser y la célula solar la cual se usará. Imagen 13: Vista exterior e interior de la estación de trabajo P á g i n a 31 | 76 Imagen 22: Vista frontal fuente alimentación Imagen 23: Vista trasera fuente alimentación P á g i n a 32 | 76 3. APLICACIÓN DE AUTOMATIZACIÓN Como expliqué anteriormente, para el desarrollo de este programa he utilizado el lenguaje de programación Python ya que para este caso me ha ofrecido mejores opciones para su desarrollo. Esto es debido a que Python ofrece múltiples funciones y bibliotecas ara el desarrollo de aplicaciones con interfaces ara que a los usuarios que las empleen les resulte más sencillo comprender su funcionamiento. Dicha aplicación consta de varias partes de las cuales pasaré a explicar y desarrollar a continuación. 3.1 PHYTON Python es un lenguaje de programación ampliamente utilizado en las aplicaciones web, el desarrollo de software, la ciencia de datos y el machine learning (ML). Los desarrolladores utilizan Python porque es eficiente y fácil de aprender, además de que se puede ejecutar en muchas plataformas diferentes. El software Python se puede descargar gratis, se integra bien a todos los tipos de sistemas y aumenta la velocidad del desarrollo. 3.1.1 ORIGEN Python fue creado en 1991 por el informatico holandés Guido van Rossum en el Centro para las Matemáticas y la Informática (CWI, Centrum Wiskunde & Informatica), en los Países Bajos, como un sucesor del lenguaje de programación ABC, capaz de manejar excepciones e interactuar con el sistema operativo Amoeba [7]. El nombre del lenguaje proviene de la afición de su creador por los humoristas británicos Monty Python. 3.1.2 BENEFICIOS DE PHYTON FRENTE A OTROS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN • Los desarrolladores pueden leer y comprender fácilmente los programas de Python debido a su sintaxis básica similar a la del inglés. • Python permite que los desarrolladores sean más productivos, ya que pueden escribir un programa de Python con menos líneas de código en comparación con muchos otros lenguajes. P á g i n a 33 | 76 • Python cuenta con una gran biblioteca estándar que contiene códigos reutilizables para casi cualquier tarea. De esta manera, los desarrolladores no tienen que escribir el código desde cero. • Los desarrolladores pueden utilizar Python fácilmente con otros lenguajes de programación conocidos, como Java, C y C++. • La comunidad activa de Python incluye millones de desarrolladores alrededor del mundo que prestan su apoyo. Si se presenta un problema, puede obtener soporte rápido de la comunidad. • Hay muchos recursos útiles disponibles en Internet si desea aprender Python. Por ejemplo, puede encontrar con facilidad videos, tutoriales, documentación y guías para desarrolladores. • Python se puede trasladar a través de diferentes sistemas operativos de computadora, como Windows, macOS, Linux y Unix. • 3.1.3 APLICACIONES PARA SU USO El lenguaje Python se aplica a varios casos de uso en el desarrollo de aplicaciones, incluidos los ejemplos siguientes [8]: Desarrollo web del lado del servidor El desarrollo web del lado del servidor incluye las funciones complejas de backend que los sitios web llevan a cabo para mostrar información al usuario. Por ejemplo, los sitios web deben interactuar con las bases de datos, comunicarse con otros sitios web y proteger los datos cuando se los envía a través de la red. Python es útil para escribir código del lado del servidor debido a que ofrece muchas bibliotecas que constan de código preescrito para crear funciones de backend complejas. Los desarrolladores también utilizan un amplio rango de marcos de Python que proporcionan todas las herramientas necesarias para crear aplicaciones web con mayor rapidez y facilidad. Por ejemplo, los desarrolladores pueden crear la aplicación web esqueleto en segundos porque no deben escribirla desde cero. Pueden probarla por medio de las herramientas de prueba del marco, sin depender de herramientas de prueba externas. P á g i n a 34 | 76 Automatización con scripts de Python Un lenguaje de scripting es un lenguaje de programación que automatiza las tareas que suelen llevar a cabo las personas. Los programadores utilizan ampliamente los scripts de Python para automatizar muchas tareas diarias, como las siguientes: • Cambiar el nombre de una gran cantidad de archivos a la vez • Convertir un archivo en otro tipo de archivo • Eliminar palabras duplicadas de un archivo de texto • Llevar a cabo operaciones matemáticas básicas • Enviar mensajes por email • Descargar contenido • Efectuar análisis básicos de registros • Encontrar errores en varios archivos Realizar tareas de ciencia de datos y machine learning La consiste en extraer conocimientos valiosos a partir de los datos, mientras que el enseña a las computadoras a aprender automáticamente de los datos y a efectuar predicciones precisas. Los científicos de datos utilizan Python para realizar tareas de ciencia de datos, como las que se indican a continuación: • Corregir y eliminar datos incorrectos, lo que se conoce como limpieza de datos • Extraer y seleccionar varias características de los datos que consiste en agregar nombres significativos a los datos • Buscar diferentes estadísticas a partir de los datos • Visualizar los datos mediante el uso de tablas y gráficos, como los gráficos de líneas, los de barras, los circulares y los histogramas Los científicos de datos utilizan las bibliotecas de ML de Python para entrenar los modelos de ML y crear clasificadores que clasifiquen los datos con precisión. Las personas que trabajan en diferentes campos utilizan clasificadores basados en Python para efectuar tareas de clasificación, como la clasificación de imágenes, texto y tráfico de red; el reconocimiento de habla; y el reconocimiento facial. P á g i n a 35 | 76 También utilizan Python para las tareas de aprendizaje profundo, una técnica avanzada de ML. Desarrollo de software Los desarrolladores de software suelen utilizar Python para realizar distintas tareas de desarrollo y aplicaciones de software, como las que se indican a continuación: • Realizar un seguimiento de los errores en el código del software • Crear el software de forma automática • Administrar los proyectos de software • Desarrollar prototipos de software • Desarrollar aplicaciones de escritorio por medio de las bibliotecas de interfaz gráfica de usuario (GUI) • Desarrollar juegos simples basados en texto a videojuegos más complejos Automatización de pruebas de software La prueba de software es el proceso de verificar si los resultados reales del software coinciden con los resultados esperados, para garantizar que el software esté libre de errores. • Los desarrolladores utilizan marcos de prueba de unidad de Python, como Unittest, Robot y PyUnit, para probar las funciones que escriben. • Los encargados de probar el software utilizan Python para escribir casos de prueba para diversos escenarios de prueba. Por ejemplo, lo utilizan para probar la interfaz de usuario de una aplicación web, los diversos componentes de software y las nuevas características. Los desarrolladores pueden utilizar varias herramientas para ejecutar scripts de prueba de manera automática. Estas herramientas se conocen como herramientas de integración e implementación continuas (CI/CD). Los encargados de probar el software y sus desarrolladores utilizan las herramientas de CI/CD, como Travis CI y Jenkins, para automatizar las pruebas. La herramienta de CI/CD ejecuta automáticamente los scripts de prueba de Python e informa los resultados de las pruebas cada vez que los desarrolladores presentan nuevos cambios de código. P á g i n a 36 | 76 3.2 FUNCIONAMIENTO APLICACIÓN Una vez iniciada la aplicación entraremos en la pantalla principal desde donde realizaremos todo el control de la instalación. Las pautas que debemos seguir para trabajar con ella son las siguientes: 1. Conexión puerto serie. Seleccionaremos los puertos COM desde donde los distintos aparatos están conectados al portátil u ordenador. Si no hacemos esto previamente la aplicación no podrá realizar correctamente su función. 2. Control de electroluminiscencia (CONTROL EL). Si queremos controlar la intensidad que recibe la fotocélula por la fuente de alimentación, usaremos este método. 2”. Control de fotoluminiscencia (CONTROL PL). Si queremos controlar la . intensidad que recibe la fotocélula por el láser, usaremos este método. 3. Salir. Una vez hayamos realizado todas las pruebas y obtenido todos los resultados que queramos, cerraremos la aplicación. P á g i n a 37 | 76 3.3 PANTALLA PRINCIPAL Imagen 24: Pantalla principal de la aplicación Desde esta pantalla podremos acceder al resto de funcionalidades de la aplicación para y realizar las pruebas, medidas y ver el estado de la instalación sin que el operario tenga que manipularla manualmente o que tenga que estar muy próximo a ella. Según vayamos seleccionando las distintas funcionalidades de la aplicación irán ocupando secciones en la pantalla para poder tener un control global desde una única pantalla en vez de ir abriendo ventanas emergentes a mayores y que después tenemos que ir cerrando una a una P á g i n a 38 | 76 3.4 CONEXIÓN PUERTO SERIE Imagen 25: Pantalla principal de la aplicación. Ventana selección puerto serie Según el número de puertos COM ocupados aparecerán en forma de lista en el recuadro blanco de la ventana emergente “COMUNICACIÓN PUERTO SERIE”. Imagen 26: Ventana selección puerto serie P á g i n a 39 | 76 Como para este caso solo conectaremos una fuente y un diodo láser, aparecerán dos puertos. Para seleccionarlo pulsaremos en la lista el puerto que queremos y a continuación, seleccionaremos si es del puerto del diodo láser (Seleccionar puerto láser) o de la fuente de alimentación (Seleccionar puerto fuente) Si el puerto seleccionado corresponde correctamente con el dispositivo que queremos, el selector correspondiente se tornará en verde, en caso contrario se tornará rojo y permanecerá así hasta que seleccionemos el correcto. Una vez los dos puertos estén seleccionados correctamente pulsamos en “SALIR”, la ventana se cerrará y podremos continuar desde la pantalla principal. 3.5 CONTROL ELECTROLUMINISCENCIA Imagen 27: Pantalla principal de la aplicación. Método control por fuente Seleccionando este método observaremos los efectos de la fotocélula mediante la fuente de alimentación. Para ello introduciremos el voltaje y la corriente que queremos suministrar desde la misma en el mando de control y se lo enviaremos a la fotocélula. P á g i n a 40 | 76 Imagen 28: Mando de control de la fuente de alimentación Una vez introducidos los valores que queremos, pulsaremos en el botón “Enviar a Canal 1” o “Enviar a Canal 2”, según el canal de la fuente que queremos usar. Después en el botón “Abrir” correspondiente al canal y con ello la fuente suministrará a la fotocélula el voltaje y amperaje. Estos valores pueden ser visualizados en la pantalla, así como si el canal está abierto o cerrado Imagen 29: Visualización estado de la fuente de alimentación P á g i n a 47 | 76 Una vez hayamos guardado la imagen seleccionaremos la carpeta donde queremos mandarla, la dejaremos en formato .tif para trabajar en FIJI. Se han realizado varias capturas con distintas medidas y obtener mejores conclusiones de la funcionalidad de la aplicación. Imagen 37: Mensaje de Hipic para guardar la captura Imagen 38: Carpeta de capturas de Hipic P á g i n a 48 | 76 4.CAPTURAS Siguiendo el procedimiento explicado en el apartado del funcionamiento de la aplicación, se han obtenido las siguientes imágenes, tanto por el método de fotoluminiscencia como electroluminiscencia: 4.1 CAPTURAS FOTOLUMINISCENCIA Controlando la fuente del diodo laser se han tomado capturas desde 0.5 W hasta 15 W, donde se han seleccionado las que mostraban un mejor aspecto para su visualización y comparación. Imagen 39: Prueba fotoluminiscencia de 0.5 W Imagen 40: Prueba fotoluminiscencia de 1.0 W Imagen 41: Prueba fotoluminiscencia de 1.5 W Imagen 42: Prueba fotoluminiscencia de 2.0 W P á g i n a 49 | 76 Imagen 47: Prueba fotoluminiscencia de 15.0 W Imagen 44: Prueba fotoluminiscencia de 5.0 W Imagen 46: Prueba fotoluminiscencia de 10.0 W Imagen 45: Prueba fotoluminiscencia de 8.0 W Imagen 43: Prueba fotoluminiscencia de 15.0 W P á g i n a 50 | 76 4.2 CAPTURAS ELECTROLUMINISCENCIA Controlando la fuente de alimentación se han tomado capturas desde 0.5 A hasta 10 A, donde se han seleccionado las que mostraban un mejor aspecto para su visualización y comparación. Imagen 48: Prueba electroluminiscencia de 0.5 A Imagen 45 Imagen 49: Prueba electroluminiscencia de 1.0 A Imagen 50: Prueba electroluminiscencia de 2.5 A Imagen 51: Prueba electroluminiscencia de 3.5 A P á g i n a 51 | 76 Todas las zonas rojas que aparecen en las capturas se deben a los valores de amperaje y potencia que se han utilizado para el estudio en los diferentes ensayos, como dificultan una correcta visualización de las células solares ara después hacer el tratamiento de las imágenes no nos valen ara el estudio. Se utilizarán las capturas que no muestren estas zonas, es decir, las que se han obtenido suministrando valores más bajos de amperaje y potencia. Imagen 46 Imagen 53: Prueba electroluminiscencia de 10.0 A Imagen 52: Prueba electroluminiscencia de 8.0 A P á g i n a 52 | 76 5. TRATAMIENTO DE IMÁGENES Una vez obtenidas las imágenes, están requieren de un proceso de postprocesado en función de la información que se pretenda obtener de ellas. Para esta labor se ha dispuesto de los softwares imageJ y Fiji [9]. ImageJ es un software de procesamiento de imágenes desarrollado en java y de código abierto. Esto último permite a los usuarios la creación de pluggins y macros personalizados que resuelven muchos problemas a la hora del tratamiento y análisis de imágenes. Fiji es un software de procesamiento de imágenes de código abierto basado en ImageJ. El propósito principal de Fiji es proporcionar una distribución de imageJ con muchos pluggins incrustados. Fiji cuenta con un sistema de actualización integrado y tiene como objetivo proporcionar a los usuarios una estructura coherente de menú, una amplia documentación en forma de descripciones detalladas de algoritmos y tutoriales, y la capacidad de evitar la necesidad de instalar varios componentes de diferentes fuentes. Estos programas son muy extensos, y poseen pluggins para trabajar en diversos campos como la biología o la medicina, entre otros. A continuación, se exponen solamente las herramientas que se han empleado de este software. Imagen 54: Ventana principal de control del software para tratamiento de imágenes Fiji P á g i n a 53 | 76 5.1 REDUCCIÓN DEL RUIDO Y AJUSTE DEL CONTRASTE Ajuste del contraste Las imágenes adquiridas con las cámaras CCD se guardan en formato .tif, este formato es un formato de imagen sin comprimir por lo que es necesario ajustar el contraste y el brillo de las imágenes para poder ver la franja de luz correspondiente a la célula obviando todo lo demás, como pueden ser: esquinas, bordes, salientes, etc. Desde el menú Image ⇒ Adjust ⇒ Brigthness/Contrast accedemos a una ventana que permite modificar el brillo, el contraste y el nivel de luz máximo y mínimo que se visualizara en la imagen. En este menú se muestra un pequeño histograma que representa el número de pixeles en función de su intensidad de luz. Imagen 55: Ventaja ajuste contraste software Fiji P á g i n a 54 | 76 La opción auto ajusta automáticamente los valores de luz máximo y mínimo para que coincidan con los valores de luz de la imagen. No obstante, es recomendable ajustar estos valores de forma manual para poder obviar todos aquellos pixeles con un bajo nivel de luz que no aporten una información relevante (bordes y partes externas a la muestra), estos pixeles se corresponden con los de la parte izquierda del histograma del menú Brigthness/- Contrast, ya que son una gran cantidad de puntos con un bajo nivel de luz. En la imagen de a continuación, se puede ver una comparación entre una imagen con el contraste y el brillo ajustado en modo automático y otra con el contraste y el brillo ajustado de forma manual, se puede observar como en la imagen ajustada de forma manual el contraste entre zonas claras y zonas oscuras es mucho más elevado y como esto se ve reflejado en el histograma de pixeles del menú Brigthness/Contrast Imagen 56: Contraste ajustado de manera manual e histograma P á g i n a 55 | 76 Reducción de ruido El ruido digital es la variación aleatoria del brillo o el color en las imágenes digitales producido por la cámara. En una imagen digital existen muchos tipos de ruido como los antes mencionados, ruido térmico, fotónico y de lectura, pero existe otro tipo de ruido, que se da por el desgaste del sensor CCD es el ruido impulsional. En el tipo de ruido conocido como ruido impulsional, o efecto sal y pimienta, los píxeles de la imagen afectados son muy diferentes en color o intensidad a los píxeles circundantes. Generalmente este tipo de ruido afectará a una pequeña cantidad de píxeles de la imagen. En la imagen se podrán observar puntos blancos sobre puntos negros o puntos negros sobre puntos blancos. Algunos defectos que contribuyen a este tipo de ruido son las manchas de polvo dentro de la óptica de la cámara, o un CCD con pixeles defectuosos que realizará una captura errónea. Para solucionar este tipo de ruido debe hacerse una corrección de los hot pixeles o puntos calientes que es como se denomina a aquellos pixeles a los que les afecta el ruido impulsional. Imagen 57: Contraste ajustado de manera automática e histograma P á g i n a 56 | 76 Usando el software ImageJ esta corrección se hace desde el menú Process ⇒ Noise ⇒ Remove outliers, eligiendo posteriormente el área de pixeles a evaluar alrededor de los hot pixels (Radius), el nivel de desviación de la media de luz para considerar un pixel como hot pixel (Threshold) y si los hot pixels son puntos demasiado claros o puntos demasiado oscuros (Which Outliers: Bright/Dark). En la imagen de a continuación se puede ver el resultado de la corrección de hot pixels, así como una imagen del menú Remove outliers. Imagen 58: Ajuste de ruido con una amplia área de pixeles alta y un nivel de desviación bajo Imagen 59: Ajuste de ruido con una amplia área de pixeles baja y un nivel de desviación alto P á g i n a 63 | 76 de potencial entre el módulo y tierra. En la mayoría de los sistemas fotovoltaicos sin puesta a tierra, los módulos tienen un voltaje no nulo que genera este efecto, si bien es más frecuente en voltajes negativos, especialmente cuando se dan condiciones de altos voltajes, alta humedad ambiental o elevadas temperaturas. El efecto puede ser completamente prevenido si el inversor presenta la opción de poner a tierra el polo positivo o negativo. La elección de cual aterrar debe ser tomada de acuerdo con la tecnología de los módulos y del tipo de inversor. En la siguiente imagen se puede ver una corrección apta para detectar defectos mediante un estudio cualitativo a la que se le ha aplicado una LUT que va del amarillo al negro en función de la luminiscencia. La LUT aplicada variara en función de lo que se pretenda apreciar en la imagen, en este caso se ha elegido una LUT amarilla para zonas de alta luminiscencia y negra para zonas de baja luminiscencia que quedaran muy contrastadas aun siendo estas muy pequeñas o finas, como se puede apreciar en la imagen. También se han localizado algunos de los defectos expuestos anteriormente como microgrietas o la degradación inducida por potencial. En la muestra se pueden apreciar más defectos de los que se han señalado ya que solo se pretende exponer un ejemplo de los tipos de defectos visibles en la imagen de fotoluminiscencia. Imagen 67: Muestra ensayo fotoluminiscencia una vez aplicadas todas las correcciones Microgrietas Reducción de la tensión de vacío Degradación inducida por potencial P á g i n a 64 | 76 Imagen 68: Muestra con el ajuste 6 shades de LUTs en Fiji En el estudio cualitativo de las imágenes de luminiscencia se puede apreciar como el rendimiento de las células solares está relacionado con la presencia de zonas oscuras en estas imágenes. Para ver esto, en las imágenes 69 y 70 se expone el resultado del ensayo de fotoluminiscencia de una célula y en la que se puede apreciar como la zona donde se produce la fotoluminiscencia está marcada con un color amarillo intenso las zonas donde no se produce son de un color azul oscuro. Imagen 69: Muestra con el ajuste 16 colors de LUTs en Fiji Microgrietas Reducción de la tensión de vacío Degradación inducida por potencial P á g i n a 65 | 76 Imagen 70: Muestra con el ajuste blue-orange-igb de LUTs en Fiji Con estas muestras se ve claramente que, si en una célula solar existen múltiples defectos y zonas oscuras, se verá afectado el rendimiento energético que esta puede aportar, así como el nivel de fotoluminiscencia emitido por esta. P á g i n a 66 | 76 8. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO Conclusiones: En este TFG se ha concluido la automatización de un programa que permita obtener muestras de ensayos tanto de fotoluminiscencia como de electroluminiscencia y obtener con ello una serie de oportunidades para el estudio de las características, posibilidades y resultados de la caracterización de células solares y obleas de silicio, sin que una persona tenga que estar manipulando de continuo los aparatos usados ara estos ensayos (fuente de alimentación y diodo laser). Trabajo futuro: Como toda aplicación realizada por phyton, esta se puede mejorar para simplificar tanto la interfaz de la aplicación que usa el usuario, así como el envió de valores de voltaje y potencia que se quieran usar para los ensayos, integrar la captura de imágenes y los ajustes de imágenes que aporta Fiji. P á g i n a 67 | 76 BIBLIOGRAFÍA ❖ [1] José Balenzategui. Fundamentos de la conversión fotovoltaica: La célula solar. 2007. ❖ [2] Jose Roldan Viloria, INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS ❖ [3] Chao Shen, Henner Kampwerth, and Martin A Green. Photoluminescence based open circuit voltage and effective lifetime images re-interpretation for solar cells: The influence of horizontal balancing currents. Solar Energy Materials and Solar Cells, 130:393– 396, 2014. ❖ [4] Marcelo Romero Tous, ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ❖ [5] J. L. Balenzategui Manzanares, FUNDAMENTOS DE LA CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA: LA CÉLULA SOLAR. 2008. ❖ [6] Mario Baselga Carreras, CLASIFICACION DE LAS INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS Y SUS COMPONENTES (ISF) ❖ [7] Santiago Aguirre, INTRODUCCION A PYTHON. ❖ [8] Vincent Boucheny, PROGRAMACION ORIENTADA A OBJETOS. ❖ [9] Jose Maria Mateos Perez, Javier Pascau, Image Processing with ImageJ. ❖ [10] S. Deitsch et al., “Automatic classification of defective photovoltaic module cells in electroluminescence images”. P á g i n a 68 | 76 9. ANEXOS P á g i n a 69 | 76 P á g i n a 70 | 76 P á g i n a 71 | 76 P á g i n a 72 | 76