Actualmente hay muchos grupos de investigación activos en el campo de la energía fotovoltaica en universidades e instituciones de investigación de todo el mundo. Esta investigación puede clasificarse en tres áreas: hacer que las células solares de tecnología actual sean más baratas y / o más eficientes para competir eficazmente con otras fuentes de energía; desarrollar nuevas tecnologías basadas en nuevos diseños arquitectónicos de células solares; y desarrollar nuevos materiales para servir como convertidores de energía más eficientes desde la energía de la luz a la corriente eléctrica o absorbentes de luz y cargadores.
Procesamiento de silicio
Una forma de reducir el costo es desarrollar métodos más baratos para obtener silicio que sea lo suficientemente puro. El silicio es un elemento muy común, pero normalmente está ligado en sílice o arena de sílice. El procesamiento de sílice (SiO2) para producir silicio es un proceso de muy alta energía: a las eficiencias actuales, una célula solar convencional tarda de uno a dos años en generar tanta energía como la que se utilizó para fabricar el silicio que contiene. Los métodos más eficientes de síntesis de energía no solo son beneficiosos para la industria solar, sino también para las industrias que rodean a la tecnología de silicio en general.
La producción industrial actual de silicio es a través de la reacción entre el carbón (carbón vegetal) y la sílice a una temperatura alrededor de 1700 ° C. En este proceso, conocido como reducción carbotérmica, cada tonelada de silicio (grado metalúrgico, aproximadamente 98% de pureza) se produce con la emisión de aproximadamente 1,5 toneladas de dióxido de carbono.
La sílice sólida se puede convertir (reducir) directamente a silicio puro por electrólisis en un baño de sales fundidas a una temperatura bastante suave (800 a 900 ° C). Si bien este nuevo proceso es en principio el mismo que el FFC Cambridge Process que se descubrió por primera vez a fines de 1996, el hallazgo de laboratorio interesante es que dicho silicio electrolítico se presenta en forma de silicio poroso que se convierte fácilmente en un polvo fino con un tamaño de partícula de unos pocos micrómetros, y por lo tanto puede ofrecer nuevas oportunidades para el desarrollo de tecnologías de células solares.
Otro enfoque es también reducir la cantidad de silicio utilizado y, por lo tanto, su costo, es mediante la micromecanización de obleas en capas muy delgadas y prácticamente transparentes que podrían utilizarse como revestimientos arquitectónicos transparentes. La técnica consiste en tomar una oblea de silicio, generalmente de 1 a 2 mm de grosor, y hacer una multitud de cortes transversales paralelos en la oblea, creando una gran cantidad de astillas que tienen un grosor de 50 micrómetros y un ancho igual al grosor de la oblea. oblea original. Estas rebanadas giran 90 grados, de modo que las superficies correspondientes a las caras de la oblea original se convierten en los bordes de las astillas. El resultado es convertir, por ejemplo, una oblea de 150 mm de diámetro y 2 mm de espesor que tiene un área superficial de silicio expuesta de aproximadamente 175 cm2 por lado en aproximadamente 1000 astillas que tienen dimensiones de 100 mm x 2 mm x 0,1 mm, produciendo un total superficie de silicio expuesta de aproximadamente 2000 cm2 por lado. Como resultado de esta rotación, el dopaje eléctrico y los contactos que estaban en la cara de la oblea están ubicados en los bordes de la cinta, en lugar de en la parte delantera y trasera, como en el caso de las células de obleas convencionales. Esto tiene el interesante efecto de hacer que la célula sea sensible desde la parte frontal y posterior de la célula (una propiedad conocida como bifacialidad). Usando esta técnica, una oblea de silicio es suficiente para construir un panel de 140 vatios, en comparación con alrededor de 60 obleas necesarias para los módulos convencionales con la misma potencia de salida.
Células solares nanocristalinas
Estas estructuras hacen uso de algunos de los mismos materiales absorbentes de luz de película fina pero están cubiertos como un absorbente extremadamente delgado en una matriz de soporte de polímero conductivo u óxido metálico mesoporoso que tiene una superficie muy alta para aumentar las reflexiones internas (y por lo tanto aumentan la probabilidad de absorción de luz). El uso de nanocristales permite diseñar arquitecturas en la escala de longitud de nanómetros, la longitud de difusión típica del excitón. En particular, los dispositivos de nanocristales únicos (‘canal’), una matriz de uniones p-n individuales entre los electrodos y separadas por un período de aproximadamente una longitud de difusión, representan una nueva arquitectura para células solares y una eficacia potencialmente alta.
Procesamiento de película fina
Las células fotovoltaicas de película delgada pueden usar menos del 1% de la costosa materia prima (silicio u otros absorbentes de luz) en comparación con las células solares basadas en obleas, lo que lleva a una caída de precios significativa por vatio de capacidad máxima. Hay muchos grupos de investigación en todo el mundo que investigan activamente diferentes enfoques y / o materiales de películas delgadas.
Una tecnología particularmente prometedora son las películas delgadas de silicio cristalino sobre sustratos de vidrio. Esta tecnología combina las ventajas del silicio cristalino como material de célula solar (abundancia, no toxicidad, alta eficiencia, estabilidad a largo plazo) con el ahorro de costes de utilizar un enfoque de película delgada.
Otro aspecto interesante de las células solares de película delgada es la posibilidad de depositar las células en todo tipo de materiales, incluidos los sustratos flexibles (PET, por ejemplo), lo que abre una nueva dimensión para las nuevas aplicaciones.
Celda solar multidifusión metamórfica
A partir de diciembre de 2014, el récord mundial de eficiencia de células solares en un 46% se logró mediante el uso de células solares concentradoras de múltiples uniones, desarrolladas a partir de los esfuerzos de colaboración de Soitec, CEA-Leti, Francia, junto con Fraunhofer ISE, Alemania.
El Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) ganó uno de los Premios R & D 100 de la revista R & D Magazine por su célula fotovoltaica Metamorphic Multijunction, una célula ultra ligera y flexible que convierte la energía solar con una eficiencia récord.
La célula solar ultraligera y altamente eficiente se desarrolló en NREL y está siendo comercializada por Emcore Corp. de Albuquerque, N.M., en asociación con la Dirección de Vehículos Espaciales de Air Force Research Laboratories en la Base de la Fuerza Aérea Kirtland en Albuquerque.
Representa una nueva clase de células solares con claras ventajas en rendimiento, diseño de ingeniería, operación y costo. Durante décadas, las células convencionales han presentado obleas de materiales semiconductores con una estructura cristalina similar. Su rendimiento y rentabilidad se ven limitados por el crecimiento de las celdas en una configuración vertical. Mientras tanto, las células son rígidas, pesadas y gruesas con una capa inferior hecha de germanio.
En el nuevo método, la célula se cultiva al revés. Estas capas utilizan materiales de alta energía con cristales de muy alta calidad, especialmente en las capas superiores de la celda donde se produce la mayor parte de la energía. No todas las capas siguen el patrón reticular de espaciado incluso atómico. En cambio, la celda incluye una gama completa de espaciado atómico, que permite una mayor absorción y uso de la luz solar. La capa gruesa y rígida de germanio se elimina, lo que reduce el costo de la célula y el 94% de su peso. Al convertir el enfoque convencional de las células en su cabeza, el resultado es una celda ultraligera y flexible que también convierte la energía solar con una eficiencia récord (40.8% bajo la concentración de 326 soles).
Procesamiento de polímeros
La invención de polímeros conductores (por la que Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron un premio Nobel) puede conducir al desarrollo de células mucho más baratas que se basan en plásticos de bajo costo. Sin embargo, las células solares orgánicas generalmente sufren degradación tras la exposición a la luz ultravioleta, y por lo tanto tienen vidas que son demasiado cortas para ser viables. Los enlaces en los polímeros son siempre susceptibles de romperse cuando se irradian con longitudes de onda más cortas. Además, los sistemas de dobles enlaces conjugados en los polímeros que llevan la carga reaccionan más fácilmente con la luz y el oxígeno. Por lo tanto, la mayoría de los polímeros conductores, al ser altamente insaturados y reactivos, son altamente sensibles a la humedad atmosférica y la oxidación, lo que dificulta las aplicaciones comerciales.
Procesamiento de nanopartículas
Los paneles solares experimentales sin silicio pueden estar hechos de heteroestructuras quánticas, p. nanotubos de carbono o puntos cuánticos, incrustados en polímeros conductivos u óxidos metálicos mesoporosos. Además, las películas delgadas de muchos de estos materiales en células solares de silicio convencionales pueden aumentar la eficacia del acoplamiento óptico en la célula de silicio, aumentando así la eficacia global. Al variar el tamaño de los puntos cuánticos, las células se pueden sintonizar para absorber diferentes longitudes de onda. Aunque la investigación todavía está en su infancia, la energía fotovoltaica modificada por punto cuántico puede lograr hasta un 42% de eficiencia de conversión de energía debido a la generación de excitones múltiples (MEG).
Los investigadores del MIT han encontrado una forma de usar un virus para mejorar la eficiencia de la célula solar en un tercio.
Conductores transparentes
Muchas nuevas células solares usan películas delgadas transparentes que también son conductores de carga eléctrica. Las películas finas conductivas dominantes utilizadas en la investigación ahora son óxidos conductores transparentes (abreviados «TCO») e incluyen óxido de estaño dopado con flúor (SnO2: F o «FTO»), óxido de zinc dopado (por ejemplo: ZnO: Al) y óxido de indio y estaño (abreviado «ITO»). Estas películas conductoras también se utilizan en la industria LCD para pantallas planas. La función doble de un TCO permite que la luz pase a través de una ventana de sustrato hacia el material absorbente de luz activo que está debajo y también sirve como un contacto óhmico para transportar los portadores de carga fotogenerados lejos de ese material que absorbe la luz. Los presentes materiales de TCO son efectivos para la investigación, pero quizás aún no están optimizados para la producción fotovoltaica a gran escala. Requieren condiciones de deposición muy especiales a alto vacío, a veces pueden presentar una resistencia mecánica pobre y la mayoría tienen una transmitancia baja en la porción infrarroja del espectro (por ejemplo, las películas delgadas ITO también pueden usarse como filtros infrarrojos en ventanas de avión). Estos factores hacen que la fabricación a gran escala sea más costosa.
Un área relativamente nueva ha surgido utilizando redes de nanotubos de carbono como un conductor transparente para células solares orgánicas. Las redes de nanotubos son flexibles y pueden depositarse en las superficies de diversas maneras. Con algún tratamiento, las películas de nanotubos pueden ser muy transparentes en el infrarrojo, lo que posibilita que las células solares de banda prohibida sean bajas. Las redes de nanotubos son conductores de tipo p, mientras que los conductores transparentes tradicionales son exclusivamente de tipo n. La disponibilidad de un conductor transparente de tipo p podría conducir a nuevos diseños de células que simplifiquen la fabricación y mejoren la eficiencia.
Celdas solares a base de obleas de silicio
A pesar de los numerosos intentos de fabricar mejores células solares mediante el uso de materiales nuevos y exóticos, la realidad es que el mercado fotovoltaico sigue dominado por las células solares basadas en obleas de silicio (células solares de primera generación). Esto significa que la mayoría de los fabricantes de células solares están actualmente equipados para producir este tipo de células solares. En consecuencia, se está llevando a cabo un gran cuerpo de investigación en todo el mundo para fabricar células solares a base de obleas de silicio a un costo menor y para aumentar las eficiencias de conversión sin un aumento exorbitante en el costo de producción. El objetivo final de ambos conceptos de fotovoltaica basada en obleas y alternativas es producir electricidad solar a un costo comparable al carbón, el gas natural y la energía nuclear actualmente dominantes en el mercado para convertirlo en la principal fuente de energía primaria. Para lograrlo, puede ser necesario reducir el costo de los sistemas solares instalados desde aproximadamente US $ 1,80 (para tecnologías de silicio a granel) a aproximadamente US $ 0,50 por vatio de potencia máxima. Como una parte importante del costo final de un módulo de silicio tradicional está relacionado con el alto costo de la materia prima de polisilicio de grado solar (aproximadamente US $ 0,4 / Watt pico) existe un impulso sustancial para hacer que las células solares de Si sean más delgadas (ahorro de material) o para hacer celdas solares de silicio metalúrgico mejorado más barato (llamado «sucio Si»).
IBM tiene un proceso de recuperación de obleas semiconductoras que utiliza una técnica de eliminación de patrones especializada para reutilizar obleas semiconductoras de chatarra a una forma utilizada para fabricar paneles solares basados en silicio. El nuevo proceso fue galardonado recientemente con el «Premio a la Prevención de la Contaminación Más Valioso 2007» de la Mesa Redonda Nacional de Prevención de la Contaminación (NPPR).
Células solares infrarrojas
Investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho, junto con socios de Lightwave Power Inc. en Cambridge, MA y Patrick Pinhero de la Universidad de Missouri, han ideado una forma económica de producir láminas de plástico que contienen miles de millones de nanoantenas que recogen la energía térmica generada por el sol y otros fuentes, que obtuvieron dos premios 2007 Nano50. La compañía dejó de operar en 2010. Mientras que los métodos para convertir la energía en electricidad utilizable aún deben desarrollarse, las láminas podrían ser fabricadas algún día como «máscaras» livianas que impulsarán todo, desde autos híbridos hasta computadoras e iPods con mayor eficiencia que la energía solar tradicional. Células. Las nanoantenas se dirigen a los rayos infrarrojos medianos, que la Tierra irradia de forma continua en forma de calor después de absorber la energía del sol durante el día; también las hojas de nanoantenna de doble cara pueden cosechar energía de diferentes partes del espectro del Sol. En contraste, las células solares tradicionales solo pueden usar luz visible, dejándolas inactivas por la noche.
Células solares UV
El Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) de Japón ha logrado desarrollar una célula solar transparente que utiliza luz ultravioleta (UV) para generar electricidad pero permite que pase la luz visible. La mayoría de las células solares convencionales usan luz visible e infrarroja para generar electricidad. Utilizado para reemplazar vidrio de ventana convencional, el área de superficie de instalación podría ser grande, lo que lleva a usos potenciales que aprovechan las funciones combinadas de generación de energía, iluminación y control de temperatura.
Este sistema transparente que absorbe UV se logró utilizando una heteroestructura orgánica-inorgánica hecha de la película PEDOT: PSS de polímero semiconductor de tipo p depositada sobre un sustrato de titanato de estroncio dopado con Nb. PEDOT: PSS se fabrica fácilmente en películas delgadas debido a su estabilidad en el aire y su solubilidad en agua. Estas células solares solo se activan en la región UV y dan como resultado un rendimiento cuántico relativamente alto del 16% de electrón / fotón. El trabajo futuro en esta tecnología implica reemplazar el sustrato de titanato de estroncio con una película de titanato de estroncio depositada sobre un sustrato de vidrio para lograr una fabricación de gran área y bajo costo.
Desde entonces, se han descubierto otros métodos para incluir las longitudes de onda UV en la generación de energía de células solares. Algunas compañías informan que usan nano-fósforos como un recubrimiento transparente para convertir la luz ultravioleta en luz visible. Otros han informado que amplían el rango de absorción de las células fotovoltaicas de unión única al dopar un semiconductor transparente de banda ancha como GaN con un metal de transición como el manganeso.
Investigación flexible de células solares
La investigación flexible de células solares es una tecnología de nivel de investigación, un ejemplo del cual se creó en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en el que las células solares se fabrican depositando material fotovoltaico en sustratos flexibles, como el papel ordinario, utilizando tecnología química de deposición de vapor. La tecnología para la fabricación de células solares en papel fue desarrollada por un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts con el apoyo de la National Science Foundation y el Eni-MIT Alliance Solar Fronteras Program.
Celdas solares 3D
Celdas solares tridimensionales que capturan casi toda la luz que las afecta y pueden aumentar la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos a la vez que reducen su tamaño, peso y complejidad mecánica. Las nuevas células solares 3D, creadas en el Instituto de Investigación Tecnológica de Georgia, capturan fotones de la luz solar utilizando una serie de estructuras en «torre» en miniatura que se asemejan a edificios de gran altura en una cuadrícula de calles de la ciudad. Solar3D, Inc. planea comercializar tales celdas 3D, pero su tecnología actualmente está pendiente de patente.
Concentrador solar luminiscente
Los concentradores solares luminiscentes convierten la luz solar u otras fuentes de luz en frecuencias preferidas; concentran la producción para convertirla en formas deseables de energía, como la electricidad. Confían en la luminiscencia, típicamente fluorescencia, en medios tales como líquidos, vidrios o plásticos tratados con un recubrimiento o dopante adecuado. Las estructuras están configuradas para dirigir la salida de un área de entrada grande a un pequeño convertidor, donde la energía concentrada genera fotoelectricidad. El objetivo es recolectar luz en un área grande a bajo costo; los paneles concentradores luminiscentes se pueden fabricar de forma económica a partir de materiales como vidrios o plásticos, mientras que las células fotovoltaicas son dispositivos de alta precisión y alta tecnología, y por consiguiente son caros de construir en tamaños grandes.
La investigación está en curso en universidades como Radboud University Nijmegen y Delft University of Technology. Por ejemplo, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, los investigadores han desarrollado enfoques para la conversión de ventanas en concentradores de luz solar para la generación de electricidad. Pintan una mezcla de tintes en un panel de vidrio o plástico. Los tintes absorben la luz solar y la vuelven a emitir como fluorescencia dentro del vidrio, donde se confina por reflexión interna, emergiendo en los bordes del vidrio, donde encuentra células solares optimizadas para la conversión de dicha luz solar concentrada. El factor de concentración es aproximadamente 40, y el diseño óptico produce un concentrador solar que, a diferencia de los concentradores basados en lentes, no necesita dirigirse con precisión al sol, y puede producir salida incluso con luz difusa. Covalent Solar está trabajando en la comercialización del proceso.
Metamateriales
Los metamateriales son materiales heterogéneos que emplean la yuxtaposición de muchos elementos microscópicos, dando lugar a propiedades que no se ven en los sólidos ordinarios. Usando estos, puede ser posible formar células solares que sean excelentes absorbentes en un rango estrecho de longitudes de onda. Se ha demostrado una alta absorción en el régimen de microondas, pero todavía no en el régimen de longitud de onda de 300-1100 nm.
Híbrido térmico fotovoltaico
Algunos sistemas combinan la energía fotovoltaica con la energía solar térmica, con la ventaja de que la parte solar térmica lleva el calor y enfría las células fotovoltaicas. Mantener baja la temperatura disminuye la resistencia y mejora la eficiencia de la celda.
Pentavoltaica basada en Penta
Se afirma que la energía fotovoltaica basada en pentaceno mejora la relación de eficiencia energética hasta en un 95%, duplicando efectivamente la eficiencia de las técnicas más eficientes de la actualidad.
Banda intermedia
La tecnología fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser en la eficiencia de una célula. Introduce un nivel de energía de banda intermedia (IB) entre las bandas de valencia y conducción. Teóricamente, la introducción de un IB permite que dos fotones con energía inferior al intervalo de banda exciten un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Esto aumenta la fotocorriente inducida y por lo tanto la eficiencia.
Luque y Marti primero derivaron un límite teórico para un dispositivo IB con un nivel de energía de nivel medio usando un balance detallado. Supusieron que no se recogieron portadores en el IB y que el dispositivo estaba bajo plena concentración. Encontraron que la eficiencia máxima era del 63.2%, para un intervalo de banda de 1.95eV con el IB 0.71eV de la banda de valencia o de conducción. Con una sola iluminación solar, la eficacia límite es del 47%.