Les cellules photovoltaïques de troisième génération sont des cellules solaires potentiellement capables de dépasser la limite de Shockley – Queisser de 31 à 41% d’efficacité énergétique pour les cellules solaires à simple bande interdite. Cela comprend une gamme d’alternatives aux cellules constituées de jonctions pn semi-conductrices (« première génération ») et de cellules à couches minces (« deuxième génération »). Les systèmes courants de troisième génération comprennent les cellules multicouches (« tandem ») en silicium amorphe ou en arséniure de gallium, tandis que les développements plus théoriques incluent la conversion de fréquence (c.-à-d. utilisation – produisant ainsi plus de puissance, effets porteurs chauds et autres techniques d’éjection à porteuses multiples.

Les nouvelles technologies photovoltaïques comprennent:

Cellule solaire au sulfure de zinc-étain-cuivre (CZTS) et dérivés CZTSe et CZTSSe
Cellule solaire sensibilisée au colorant, également appelée « cellule de Grätzel »
Cellule solaire organique
Cellule solaire Perovskite
Cellule solaire à points quantiques

En particulier, les résultats obtenus dans la recherche sur les cellules de pérovskite ont reçu une attention considérable de la part du public, leur efficacité de recherche ayant récemment dépassé les 20%. Ils offrent également un large éventail d’applications à faible coût. En outre, une autre technologie émergente, le photovoltaïque à concentrateur (CPV), utilise des cellules solaires à jonctions multiples à haut rendement, associées à des lentilles optiques et à un système de suivi.

Les technologies
Les cellules solaires peuvent être considérées comme des contreparties de lumière visible aux récepteurs radio. Un récepteur se compose de trois parties de base; une antenne qui convertit les ondes radio (lumière) en mouvements d’électrons dans le matériau de l’antenne, une vanne électronique qui emprisonne les électrons lorsqu’ils sortent de l’extrémité de l’antenne, et un syntoniseur qui amplifie les électrons d’une fréquence sélectionnée. Il est possible de construire une cellule solaire identique à une radio, un système connu sous le nom de rectenna optique, mais à ce jour, ce n’est pas pratique.

La majorité du marché de l’électricité solaire est constituée d’appareils à base de silicium. Dans les cellules de silicium, le silicium agit à la fois comme antenne (ou donneur d’électrons, techniquement) et comme vanne électronique. Le silicium est largement disponible, relativement peu coûteux et possède une bande interdite idéale pour la collecte solaire. En revanche, la production de silicium en vrac est coûteuse du point de vue énergétique et économique et des efforts importants ont été déployés pour réduire la quantité requise. De plus, il est mécaniquement fragile, ce qui nécessite généralement l’utilisation d’une feuille de verre solide comme support mécanique et protection contre les éléments. Le verre seul représente une part importante du coût d’un module solaire typique.

Selon la limite de Shockley – Queisser, la majorité de l’efficacité théorique d’une cellule est due à la différence d’énergie entre la bande interdite et le photon solaire. Tout photon ayant plus d’énergie que la bande interdite peut provoquer une photoexcitation, mais toute énergie supérieure à l’énergie de la bande interdite est perdue. Considérons le spectre solaire. seule une petite partie de la lumière atteignant le sol est bleue, mais ces photons ont trois fois plus d’énergie que la lumière rouge. La bande interdite du silicium est de 1,1 eV, à peu près celle de la lumière rouge. Dans ce cas, l’énergie de la lumière bleue est perdue dans une cellule de silicium. Si la bande interdite est accordée plus haut, disons en bleu, cette énergie est maintenant capturée, mais seulement au prix du rejet des photons de moindre énergie.

Il est possible d’améliorer considérablement une cellule à jonction unique en empilant de fines couches de matériau avec des bandes interdites variables les unes sur les autres – l’approche «cellule en tandem» ou «multi-jonction». Les méthodes traditionnelles de préparation du silicium ne se prêtent pas à cette approche. Des couches minces de silicium amorphe ont été employées à la place, notamment les produits d’Uni-Solar, mais d’autres problèmes ont empêché ceux-ci de correspondre aux performances des cellules traditionnelles. La plupart des structures à cellules en tandem sont basées sur des semi-conducteurs plus performants, notamment l’arséniure de gallium (GaAs). Les cellules à trois couches de GaAs ont obtenu une efficacité de 41,6% pour des exemples expérimentaux. En septembre 2013, une cellule à quatre couches a atteint une efficacité de 44,7%.

L’analyse numérique montre que la cellule solaire monocouche « parfaite » devrait avoir une bande interdite de 1,13 eV, presque exactement celle du silicium. Une telle cellule peut avoir une efficacité de conversion de puissance théorique maximale de 33,7% – la puissance solaire en dessous du rouge (dans l’infrarouge) est perdue et l’énergie supplémentaire des couleurs plus élevées est également perdue. Pour une cellule à deux couches, une couche doit être accordée à 1,64 eV et l’autre à 0,94 eV, avec une performance théorique de 44%. Une cellule à trois couches doit être réglée sur 1,83, 1,16 et 0,71 eV, avec une efficacité de 48%. Une cellule théorique à « couche infinie » aurait un rendement théorique de 68,2% pour la lumière diffuse.

Alors que les nouvelles technologies solaires découvertes sont centrées sur la nanotechnologie, plusieurs méthodes matérielles sont actuellement utilisées.

L’étiquette de troisième génération englobe de nombreuses technologies, bien qu’elle englobe les technologies non semiconductrices (y compris les polymères et la biomimétique), les boîtes quantiques, les cellules tandem / multi-jonctions, les cellules solaires à bande intermédiaire, les technologies technologies thermiques, telles que la thermophotonique, qui est l’une des technologies identifiées par Green comme étant la troisième génération.

Il comprend également:

Nanostructures de silicium
Modification du spectre incident (concentration), pour atteindre 300-500 soleils et des rendements de 32% (déjà atteints dans Sol 3g cellules) à + 50%.
Utilisation de la production thermique excessive (causée par la lumière UV) pour améliorer les tensions ou la collecte des porteurs.
Utilisation du spectre infrarouge pour produire de l’électricité la nuit.

Quatrième génération: hybride
La prochaine génération de cellules solaires à base de composés inorganiques offre un rendement de conversion énergétique amélioré par rapport aux cellules solaires de troisième génération (3Gen) actuelles, tout en augmentant son coût de base. Ils combinent – au sein d’une même couche – le faible coût et la flexibilité des films polymères conducteurs (organiques) avec la stabilité de la vie des nanostructures (inorganiques) et tirent parti des propriétés de ces nouveaux matériaux actifs hybrides (organiques / inorganiques). au-delà des appareils 3Gen.