Attualmente ci sono molti gruppi di ricerca attivi nel campo del fotovoltaico nelle università e negli istituti di ricerca di tutto il mondo. Questa ricerca può essere suddivisa in tre aree: rendere le attuali tecnologie solari più economiche e / o più efficienti per competere efficacemente con altre fonti energetiche; sviluppare nuove tecnologie basate su nuovi progetti architettonici di celle solari; e lo sviluppo di nuovi materiali per servire come convertitori di energia più efficienti da energia leggera in corrente elettrica o assorbitori di luce e portatori di carica.

Elaborazione del silicio
Un modo per ridurre i costi è sviluppare metodi più economici per ottenere silicio sufficientemente puro. Il silicio è un elemento molto comune, ma è normalmente legato in silice o sabbia silicea. La lavorazione della silice (SiO2) per la produzione di silicio è un processo ad altissima energia: con le attuali efficienze, occorrono da uno a due anni affinché una cella solare convenzionale produca la stessa quantità di energia utilizzata per produrre il silicio in essa contenuto. I metodi di sintesi più efficienti dal punto di vista energetico non sono solo vantaggiosi per l’industria solare, ma anche per le industrie che circondano la tecnologia del silicio nel suo complesso.

L’attuale produzione industriale di silicio avviene attraverso la reazione tra carbonio (carbone di legna) e silice a una temperatura di circa 1700 ° C. In questo processo, noto come riduzione carbotermica, ogni tonnellata di silicio (grado metallurgico, circa il 98% puro) viene prodotta con l’emissione di circa 1,5 tonnellate di anidride carbonica.

La silice solida può essere direttamente convertita (ridotta) in silicio puro mediante elettrolisi in un bagno di sali fusi ad una temperatura piuttosto mite (da 800 a 900 ° C). Mentre questo nuovo processo è in linea di principio lo stesso del processo Cambridge FFC, scoperto per la prima volta alla fine del 1996, l’interessante scoperta di laboratorio è che tale silicio elettrolitico si presenta sotto forma di silicio poroso che diventa facilmente una polvere fine, con una dimensione particellare di pochi micrometri e potrebbe quindi offrire nuove opportunità per lo sviluppo di tecnologie per celle solari.

Un altro approccio è anche quello di ridurre la quantità di silicio utilizzato e quindi il costo, è la microlavorazione dei wafer in strati molto sottili e praticamente trasparenti che potrebbero essere usati come rivestimenti architettonici trasparenti. La tecnica consiste nel prendere un wafer di silicio, in genere da 1 a 2 mm di spessore, e fare una moltitudine di fette trasversali parallele attraverso il wafer, creando un gran numero di scaglie che hanno uno spessore di 50 micrometri e una larghezza uguale allo spessore del wafer originale. Queste fette vengono ruotate di 90 gradi, in modo che le superfici corrispondenti alle facce del wafer originale diventino i bordi delle schegge. Il risultato è di convertire, per esempio, un wafer da 150 mm di diametro, spesso 2 mm, con un’area superficiale di silicio esposta di circa 175 cm2 per lato in circa 1000 lamelle aventi dimensioni di 100 mm × 2 mm × 0,1 mm, ottenendo un totale superficie di silicio esposta di circa 2000 cm2 per lato. Come risultato di questa rotazione, il drogaggio elettrico e i contatti che erano sulla faccia del wafer sono situati ai bordi del nastro, piuttosto che nella parte anteriore e posteriore come nel caso delle celle di wafer convenzionali. Questo ha l’effetto interessante di rendere la cellula sensibile sia dalla parte anteriore che da quella posteriore della cella (una proprietà nota come bifaccia). Usando questa tecnica, un wafer di silicio è sufficiente per costruire un pannello da 140 watt, rispetto a circa 60 wafer necessari per i moduli convenzionali con la stessa potenza.

Celle solari nanocristalline
Queste strutture fanno uso di alcuni degli stessi materiali che assorbono la luce a film sottile ma sono ricoperte da un assorbitore estremamente sottile su una matrice di supporto di polimero conduttivo o ossido di metallo mesoporoso avente un’area superficiale molto elevata per aumentare le riflessioni interne (e quindi aumentare la probabilità di assorbimento della luce). L’uso dei nanocristalli consente di progettare architetture sulla scala della lunghezza dei nanometri, la tipica lunghezza di diffusione dell’eccitone. In particolare, i dispositivi a singolo nanocristallo (“canale”), una serie di singole giunzioni p-n tra gli elettrodi e separati da un periodo di circa una lunghezza di diffusione, rappresentano una nuova architettura per celle solari e potenzialmente ad alta efficienza.

Elaborazione a film sottile
Le celle fotovoltaiche a film sottile possono utilizzare meno dell’1% della costosa materia prima (silicio o altri assorbitori di luce) rispetto alle celle solari a base di wafer, portando a un calo significativo dei prezzi per capacità di picco del watt. Ci sono molti gruppi di ricerca in tutto il mondo che ricercano attivamente diversi approcci e / o materiali a film sottile.

Una tecnologia particolarmente promettente sono i film sottili di silicio cristallino su substrati di vetro. Questa tecnologia combina i vantaggi del silicio cristallino come materiale di celle solari (abbondanza, non tossicità, alta efficienza, stabilità a lungo termine) con i risparmi sull’utilizzo di un approccio a film sottile.

Un altro aspetto interessante delle celle solari a film sottile è la possibilità di depositare le celle su tutti i tipi di materiali, compresi i substrati flessibili (ad esempio il PET), che apre una nuova dimensione per nuove applicazioni.

Cella solare multifunzione metamorfica
A dicembre 2014, il record mondiale di efficienza delle celle solari al 46% è stato ottenuto utilizzando celle solari a concentratore multi-giunzione, sviluppate dagli sforzi di collaborazione di Soitec, CEA-Leti, Francia insieme a Fraunhofer ISE, Germania.

Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha vinto uno dei R & D 100 Awards di R & D Magazine per la sua cella fotovoltaica a multifunzione metamorfica, una cella ultraleggera e flessibile che converte l’energia solare con efficienza record.

La cella solare ultraleggera ed estremamente efficiente è stata sviluppata da NREL ed è stata commercializzata dalla Emcore Corp. di Albuquerque, N.M, in collaborazione con la direzione aeronautica dei veicoli spaziali dei laboratori di ricerca aeronautica presso la base aeronautica di Kirtland ad Albuquerque.

Rappresenta una nuova classe di celle solari con evidenti vantaggi in termini di prestazioni, progettazione, funzionamento e costi. Per decenni, le cellule convenzionali hanno presentato wafer di materiali semiconduttori con struttura cristallina simile. Le loro prestazioni ed economicità sono limitate dalla crescita delle celle in una configurazione verticale. Nel frattempo, le celle sono rigide, pesanti e spesse con uno strato inferiore di germanio.

Nel nuovo metodo, la cellula è cresciuta sottosopra. Questi strati utilizzano materiali ad alta energia con cristalli di altissima qualità, specialmente negli strati superiori della cella in cui viene prodotta la maggior parte dell’energia. Non tutti gli strati seguono il modello reticolare di una spaziatura atomica pari. Invece, la cella include una gamma completa di spaziatura atomica, che consente un maggiore assorbimento e l’uso della luce solare. Lo strato di germanio spesso e rigido viene rimosso, riducendo il costo della cella e il 94% del suo peso. Rivolgendo l’approccio convenzionale alle cellule sulla sua testa, il risultato è una cella ultraleggera e flessibile che converte anche l’energia solare con efficienza record (40,8% sotto una concentrazione di 326 soli).

Elaborazione del polimero
L’invenzione di polimeri conduttivi (per i quali Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid e Hideki Shirakawa hanno ricevuto un premio Nobel) può portare allo sviluppo di celle molto più economiche basate su materie plastiche economiche. Tuttavia, le celle solari organiche generalmente soffrono di degradazione in seguito all’esposizione ai raggi UV, e quindi hanno una vita che è troppo breve per essere praticabile. I legami nei polimeri, sono sempre suscettibili di rottura quando irradiati con lunghezze d’onda più corte. Inoltre, i sistemi coniugati a doppio legame nei polimeri che portano la carica reagiscono più facilmente con la luce e l’ossigeno. Quindi la maggior parte dei polimeri conduttivi, essendo altamente insaturi e reattivi, sono altamente sensibili all’umidità atmosferica e all’ossidazione, rendendo difficili le applicazioni commerciali.

Elaborazione di nanoparticelle
Pannelli solari sperimentali non in silicio possono essere fatti di eterostrutture quantistiche, per es. nanotubi di carbonio o punti quantici, incorporati in polimeri conduttivi o ossidi metallici mesoporosi. Inoltre, i film sottili di molti di questi materiali su celle solari convenzionali in silicio possono aumentare l’efficienza dell’accoppiamento ottico nella cella di silicio, aumentando così l’efficienza complessiva. Variando la dimensione dei punti quantici, le celle possono essere sintonizzate per assorbire lunghezze d’onda diverse. Sebbene la ricerca sia ancora agli albori, il fotovoltaico modificato a punti quantici potrebbe essere in grado di raggiungere un’efficienza di conversione energetica fino al 42% a causa della generazione di eccitoni multipli (MEG).

I ricercatori del MIT hanno trovato un modo di usare un virus per migliorare l’efficienza delle celle solari di un terzo.

Conduttori trasparenti
Molte nuove celle solari utilizzano film sottili trasparenti che sono anche conduttori di cariche elettriche. I film sottili conduttivi dominanti utilizzati nella ricerca ora sono ossidi conduttivi trasparenti (abbreviato “TCO”) e includono ossido di stagno drogato con fluoro (SnO2: F o “FTO”), ossido di zinco drogato (es .: ZnO: Al), e ossido di indio-stagno (abbreviato “ITO”). Questi film conduttivi vengono anche utilizzati nell’industria LCD per schermi piatti. La duplice funzione di un TCO consente alla luce di passare attraverso una finestra del substrato al materiale attivo di assorbimento della luce sottostante, e serve anche come contatto ohmico per trasportare i caricatori di carica fotogenerati lontano da quel materiale che assorbe la luce. Gli attuali materiali TCO sono efficaci per la ricerca, ma forse non sono ancora ottimizzati per la produzione fotovoltaica su larga scala. Richiedono condizioni di deposizione molto speciali ad alto vuoto, a volte possono soffrire di scarsa resistenza meccanica, e la maggior parte ha scarsa trasmittanza nella porzione infrarossa dello spettro (ad esempio: i film sottili ITO possono anche essere usati come filtri a infrarossi nelle finestre dell’aereo). Questi fattori rendono la produzione su larga scala più costosa.

Un’area relativamente nuova è emersa utilizzando reti di nanotubi di carbonio come conduttore trasparente per celle solari organiche. Le reti di nanotubi sono flessibili e possono essere depositate sulle superfici in vari modi. Con un po ‘di trattamento, le pellicole di nanotubi possono essere altamente trasparenti nell’infrarosso, consentendo eventualmente celle solari efficienti a bassa banda proibita. Le reti di nanotubi sono conduttori di tipo p, mentre i conduttori trasparenti tradizionali sono esclusivamente di tipo n. La disponibilità di un conduttore trasparente di tipo p potrebbe portare a nuove progettazioni di celle che semplificano la produzione e migliorano l’efficienza.

Celle solari a base di wafer di silicio
Nonostante i numerosi tentativi di realizzare celle solari migliori usando materiali nuovi ed esotici, la realtà è che il mercato del fotovoltaico è ancora dominato da celle solari a base di silicio (celle solari di prima generazione). Ciò significa che la maggior parte dei produttori di celle solari sono attualmente equipaggiati per produrre questo tipo di celle solari. Di conseguenza, in tutto il mondo è in corso una vasta ricerca per la produzione di celle solari a base di wafer di silicio a costi inferiori e per aumentare l’efficienza di conversione senza un aumento esorbitante dei costi di produzione. L’obiettivo finale sia per i concetti basati sul wafer sia per i progetti fotovoltaici alternativi è quello di produrre energia solare ad un costo paragonabile al carbone, al gas naturale e al nucleare attualmente dominanti sul mercato, al fine di renderlo la principale fonte di energia primaria. Per raggiungere questo obiettivo potrebbe essere necessario ridurre il costo dei sistemi solari installati da circa US $ 1,80 (per le tecnologie Si di massa) a circa US $ 0,50 per potenza di picco Watt. Poiché una parte importante del costo finale di un modulo tradizionale di silicio di massa è correlata all’alto costo delle materie prime di silicio policristallino (circa US $ 0,4 / picco di Watt) esiste una sostanziale spinta a rendere più sottili le celle solari Si (risparmio di materiale) o a rendere celle solari da silicio metallurgico aggiornato più economico (il cosiddetto “Si sporco”).

IBM ha un processo di bonifica di wafer di semiconduttori che utilizza una tecnica di rimozione di modelli specializzata per riutilizzare i wafer di semiconduttori di scarto in un modulo utilizzato per produrre pannelli solari basati su silicio. Il nuovo processo è stato recentemente premiato con il “Premio per la prevenzione dell’inquinamento più prezioso del 2007” dalla National Pollution Prevention Roundtable (NPPR).

Celle solari a infrarossi
I ricercatori dell’Idaho National Laboratory, insieme ai partner di Lightwave Power Inc. a Cambridge, MA e Patrick Pinhero dell’Università del Missouri, hanno escogitato un modo economico per produrre fogli di plastica contenenti miliardi di nanoantenne che raccolgono l’energia termica generata dal sole e da altri fonti, che hanno vinto due premi Nano50 del 2007. La società ha cessato le sue attività nel 2010. Mentre i metodi per convertire l’energia in elettricità utilizzabile devono ancora essere sviluppati, le lastre potrebbero un giorno essere fabbricate come “pelli” leggere che alimentano tutto, dalle auto ibride ai computer e agli iPod con maggiore efficienza rispetto al tradizionale solare le cellule. Le nanoantenne prendono di mira i raggi del medio infrarosso, che la Terra irradia continuamente sotto forma di calore dopo aver assorbito energia dal sole durante il giorno; anche i fogli di nanoantenna su entrambi i lati possono raccogliere energia da diverse parti dello spettro del Sole. Al contrario, le celle solari tradizionali possono usare solo la luce visibile, rendendole inattive dopo il tramonto.

Celle solari UV
L’Istituto nazionale giapponese di scienza e tecnologia industriali avanzate (AIST) è riuscito a sviluppare una cella solare trasparente che utilizza la luce ultravioletta (UV) per generare elettricità, ma consente alla luce visibile di attraversarla. La maggior parte delle celle solari convenzionali utilizzano la luce visibile e infrarossa per generare elettricità. Utilizzato per sostituire il vetro convenzionale della finestra, l’area della superficie di installazione potrebbe essere ampia, portando a potenziali usi che sfruttano le funzioni combinate di generazione di energia, illuminazione e controllo della temperatura.

Questo sistema trasparente ad assorbimento UV è stato ottenuto utilizzando una eterostruttura organica inorganica costituita dal polimero semiconduttore di tipo p PEDOT: film PSS depositato su un substrato di titanato di stronzio drogato con Nb. PEDOT: PSS è facilmente fabbricato in film sottili grazie alla sua stabilità nell’aria e alla sua solubilità in acqua. Queste celle solari vengono attivate solo nella regione UV e producono una resa quantica relativamente elevata del 16% di elettrone / fotone. Il futuro lavoro in questa tecnologia comporta la sostituzione del substrato di titanato di stronzio con un film di titanato di stronzio depositato su un substrato di vetro al fine di ottenere una fabbricazione di grandi dimensioni a basso costo.

Da allora, sono stati scoperti altri metodi per includere le lunghezze d’onda UV nella generazione di energia delle celle solari. Alcune aziende segnalano l’utilizzo di nano-fosfori come rivestimento trasparente per trasformare la luce UV in luce visibile. Altri hanno riferito di estendere il campo di assorbimento delle celle fotovoltaiche a singola giunzione drogando un semiconduttore trasparente a banda larga come GaN con un metallo di transizione come il manganese.

Ricerca flessibile delle celle solari
La ricerca flessibile sulle celle solari è una tecnologia a livello di ricerca, un esempio del quale è stato creato presso il Massachusetts Institute of Technology in cui le celle solari vengono prodotte depositando materiale fotovoltaico su substrati flessibili, come la carta comune, utilizzando la tecnologia di deposizione chimica a vapore. La tecnologia per la produzione di celle solari su carta è stata sviluppata da un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology con il sostegno della National Science Foundation e dell’Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Program.

Celle solari 3D
Celle solari tridimensionali che catturano quasi tutta la luce che le colpisce e potrebbero aumentare l’efficienza dei sistemi fotovoltaici riducendo al contempo dimensioni, peso e complessità meccanica. Le nuove celle solari 3D, create presso il Georgia Tech Research Institute, catturano fotoni dalla luce solare utilizzando una serie di strutture a “torre” in miniatura che ricordano grattacieli in una rete stradale urbana. Solar3D, Inc. prevede di commercializzare tali celle 3D, ma la sua tecnologia è attualmente in attesa di brevetto.

Concentratore solare luminescente
I concentratori solari luminescenti convertono la luce solare o altre fonti di luce in frequenze preferite; concentrano l’output per la conversione in forme di energia desiderabili, come l’elettricità. Fanno affidamento sulla luminescenza, tipicamente fluorescenza, su supporti come liquidi, occhiali o materie plastiche trattate con un rivestimento o un drogante adatto. Le strutture sono configurate per dirigere l’uscita da una grande area di input su un piccolo convertitore, dove l’energia concentrata genera fotoelettrico. L’obiettivo è raccogliere la luce su una vasta area a basso costo; i pannelli concentratori luminescenti possono essere fabbricati a basso costo da materiali come occhiali o materie plastiche, mentre le celle fotovoltaiche sono dispositivi ad alta precisione e ad alta tecnologia, e di conseguenza costosi da costruire in grandi dimensioni.

La ricerca è in corso presso università come Radboud University Nijmegen e Delft University of Technology. Ad esempio, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno sviluppato approcci per la conversione di finestre in concentratori solari per la generazione di elettricità. Dipingono una miscela di coloranti su una lastra di vetro o plastica. I coloranti assorbono la luce solare e la riemettono come fluorescenza all’interno del vetro, dove è confinata dalla riflessione interna, che emerge dai bordi del vetro, dove incontra celle solari ottimizzate per la conversione di tale luce solare concentrata. Il fattore di concentrazione è circa 40, e il design ottico produce un concentratore solare che, a differenza dei concentratori basati su lenti, non deve essere diretto con precisione al sole e può produrre output anche da luce diffusa. Covalent Solar sta lavorando alla commercializzazione del processo.

metamateriali
I metamateriali sono materiali eterogenei che impiegano la giustapposizione di molti elementi microscopici, dando origine a proprietà non visibili nei solidi ordinari. Usando questi, potrebbe diventare possibile modellare le celle solari che sono eccellenti assorbitori su una gamma ristretta di lunghezze d’onda. È stato dimostrato un elevato assorbimento nel regime delle microonde, ma non ancora nel regime di lunghezza d’onda di 300-1100 nm.

Fotovoltaico termico ibrido
Alcuni sistemi combinano il fotovoltaico con il solare termico, con il vantaggio che la parte solare termica porta via il calore e raffredda le celle fotovoltaiche. Abbassare la temperatura riduce la resistenza e migliora l’efficienza della cella.

Fotovoltaico a base di penta
Si sostiene che il fotovoltaico basato sul pentacene migliori il rapporto di efficienza energetica fino al 95%, raddoppiando efficacemente l’efficienza delle tecniche più efficienti di oggi.

Fascia intermedia
Il fotovoltaico a banda intermedia nella ricerca sulle celle solari fornisce metodi per superare il limite di Shockley-Queisser sull’efficienza di una cella. Introduce un livello di energia della banda intermedia (IB) tra le bande di valenza e conduzione. Teoricamente, l’introduzione di un IB consente a due fotoni con energia inferiore al bandgap di eccitare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Ciò aumenta la fotocorrente indotta e quindi l’efficienza.

Luque e Marti hanno dapprima ricavato un limite teorico per un dispositivo IB con un livello di energia in medio carico utilizzando il bilancio dettagliato. Presupponevano che non fossero stati raccolti portatori all’IB e che il dispositivo fosse in piena concentrazione. Hanno trovato che l’efficienza massima è del 63,2%, per una banda proibita di 1.95eV con IB 0.71eV dalla banda di valenza o di conduzione. Sotto un’illuminazione del sole l’efficienza limite è del 47%.