Las células fotovoltaicas de tercera generación son células solares que son potencialmente capaces de superar el límite de Shockley-Queisser de 31-41% de eficiencia energética para celdas solares de banda única. Esto incluye una gama de alternativas a las células hechas de uniones pn semiconductoras («primera generación») y células de película delgada («segunda generación»). Los sistemas comunes de tercera generación incluyen células multicapa («tándem») hechas de silicio amorfo o arseniuro de galio, mientras que desarrollos más teóricos incluyen la conversión de frecuencia (es decir, cambiar las frecuencias de luz que la célula no puede usar para iluminar frecuencias que la célula puede uso, lo que produce más potencia), efectos de portadora caliente y otras técnicas de eyección de múltiples portadoras.

Los paneles fotovoltaicos emergentes incluyen:

Célula solar de sulfuro de estaño de zinc de cobre (CZTS) y derivados CZTSe y CZTSSe
Célula solar sensibilizada por colorante, también conocida como «célula Grätzel»
Célula solar orgánica
Celda solar de Perovskita
Celda solar de punto cuántico

Especialmente los logros en la investigación de las células de perovskita han recibido una atención tremenda en el público, ya que sus eficiencias de investigación recientemente se dispararon por encima del 20 por ciento. También ofrecen un amplio espectro de aplicaciones de bajo costo. Además, otra tecnología emergente, concentrador fotovoltaico (CPV), utiliza células solares de múltiples uniones de alta eficiencia en combinación con lentes ópticas y un sistema de seguimiento.

Tecnologías
Las células solares se pueden considerar como contrapartes de luz visible para los receptores de radio. Un receptor consta de tres partes básicas; una antena que convierte las ondas de radio (luz) en movimientos ondulatorios de electrones en el material de la antena, una válvula electrónica que atrapa los electrones cuando salen del extremo de la antena y un sintonizador que amplifica los electrones de una frecuencia seleccionada. Es posible construir una célula solar idéntica a una radio, un sistema conocido como rectenna óptica, pero hasta la fecha no han sido prácticos.

La mayoría del mercado eléctrico solar está compuesto de dispositivos basados ​​en silicio. En las células de silicio, el silicio actúa tanto como la antena (o donador de electrones, técnicamente) como la válvula de electrones. El silicio está ampliamente disponible, es relativamente económico y tiene una banda prohibida ideal para la recolección solar. A la baja, es costoso y enérgico producir silicio a granel, y se han hecho grandes esfuerzos para reducir la cantidad requerida. Además, es mecánicamente frágil, lo que típicamente requiere una lámina de vidrio fuerte para ser utilizada como soporte mecánico y protección contra los elementos. El vidrio solo es una parte importante del costo de un módulo solar típico.

De acuerdo con el límite de Shockley-Queisser, la mayoría de la eficiencia teórica de una celda se debe a la diferencia de energía entre el bandgap y el fotón solar. Cualquier fotón con más energía que el bandgap puede causar fotoexcitación, pero cualquier energía por encima de la energía del gap se pierde. Considera el espectro solar; solo una pequeña porción de la luz que llega al suelo es azul, pero esos fotones tienen tres veces la energía de la luz roja. El bandgap de Silicon es 1.1 eV, aproximadamente el de la luz roja, por lo que en este caso la energía de la luz azul se pierde en una celda de silicio. Si el bandgap está sintonizado más alto, por ejemplo, en azul, esa energía ahora se captura, pero solo a costa de rechazar los fotones de menor energía.

Es posible mejorar mucho en una celda de unión única apilando capas delgadas de material con bandgaps variables uno encima del otro: el enfoque de «célula en tándem» o «unión múltiple». Los métodos tradicionales de preparación de silicio no se prestan a este enfoque. En su lugar, se han utilizado láminas delgadas de silicio amorfo, especialmente los productos de Uni-Solar, pero otros problemas han impedido que estos coincidan con el rendimiento de las células tradicionales. La mayoría de las estructuras de células en tándem se basan en semiconductores de mayor rendimiento, especialmente arseniuro de galio (GaAs). Las células GaAs de tres capas lograron una eficiencia del 41.6% para los ejemplos experimentales. En septiembre de 2013, una celda de cuatro capas alcanzó el 44.7 por ciento de eficiencia.

El análisis numérico muestra que la célula solar de capa única «perfecta» debe tener un margen de banda de 1,13 eV, casi exactamente el del silicio. Dicha celda puede tener una eficiencia máxima de conversión de potencia teórica de 33.7% – la energía solar por debajo del rojo (en el infrarrojo) se pierde, y la energía extra de los colores más altos también se pierde. Para una celda de dos capas, una capa debe ajustarse a 1.64 eV y la otra a 0.94 eV, con un rendimiento teórico de 44%. Una celda de tres capas debe ajustarse a 1.83, 1.16 y 0.71 eV, con una eficiencia del 48%. Una célula teórica de «capa infinita» tendría una eficacia teórica de 68.2% para la luz difusa.

Si bien las nuevas tecnologías solares que se han descubierto se centran en torno a la nanotecnología, actualmente se utilizan varios métodos de materiales diferentes.

La etiqueta de tercera generación abarca múltiples tecnologías, aunque incluye tecnologías no semiconductoras (incluidos polímeros y biomiméticos), punto cuántico, células tándem / multiunión, célula solar de banda intermedia, células portadoras calientes, conversión ascendente de fotones y tecnologías de conversión descendente, y solar tecnologías térmicas, como la termofotónica, que es una tecnología identificada por Green como tercera generación.

También incluye:

Nanoestructuras de silicio
Modificación del espectro incidente (concentración), para alcanzar 300-500 soles y eficiencias del 32% (ya alcanzado en Sol 3g células) a + 50%.
Uso de una generación térmica excesiva (causada por la luz ultravioleta) para mejorar los voltajes o la recolección del transportador.
Uso del espectro infrarrojo para producir electricidad por la noche.

Cuarta generación: híbrido
La próxima generación de células solares se basa en la oferta inorgánica en orgánico, una eficiencia de conversión de energía mejorada en comparación con las células solares de tercera generación actuales (3Gen), al tiempo que aumenta su costo base. Combinan, dentro de la misma capa, el bajo costo y la flexibilidad de las películas poliméricas conductoras (orgánicas) con la estabilidad de vida de las nanoestructuras (inorgánicas) y aprovechan las propiedades de estos nuevos materiales híbridos activos (orgánicos / inorgánicos) para el rendimiento más allá de los dispositivos 3Gen.