Cella fotovoltaica di terza generazione

Le celle fotovoltaiche di terza generazione sono celle solari potenzialmente in grado di superare il limite di Shockley-Queisser del 31-41% di efficienza energetica per celle solari a banda proibita. Ciò include una gamma di alternative alle cellule costituite da giunzioni p-n semiconduttive (“prima generazione”) e celle a film sottile (“seconda generazione”). I comuni sistemi di terza generazione includono celle multistrato (“tandem”) costituite da silicio amorfo o arseniuro di gallio, mentre altri sviluppi teorici includono la conversione di frequenza (cioè la modifica delle frequenze della luce che la cella non può utilizzare per le frequenze di luce che la cellula può utilizzare – producendo così più potenza), effetti hot-carrier e altre tecniche di eiezione multipla.

Il fotovoltaico emergente include:

Celle solari in rame e stagno solfuro di zinco (CZTS) e derivati ​​CZTSe e CZTSSe
Cella solare sensibilizzata al colorante, nota anche come “cella di Grätzel”
Cella solare organica
Cella solare di Perovskite
Cella solare a punti quantici

Soprattutto i risultati nella ricerca delle cellule perovskite hanno ricevuto un’enorme attenzione nel pubblico, poiché le loro efficienze di ricerca hanno recentemente superato il 20%. Offrono anche un ampio spettro di applicazioni a basso costo. Inoltre, un’altra tecnologia emergente, il concentratore fotovoltaico (CPV), utilizza celle solari ad alta efficienza e multi-giunzione in combinazione con lenti ottiche e un sistema di tracciamento.

tecnologie
Le celle solari possono essere pensate come controparti luminose visibili dei ricevitori radio. Un ricevitore è costituito da tre parti di base; un’antenna che converte le onde radio (luce) in movimenti ondulatori di elettroni nel materiale dell’antenna, una valvola elettronica che intrappola gli elettroni mentre escono dall’estremità dell’antenna e un sintonizzatore che amplifica gli elettroni di una frequenza selezionata. È possibile costruire una cella solare identica a una radio, un sistema noto come un rectenna ottico, ma ad oggi non sono stati pratici.

La maggior parte del mercato dell’energia solare è costituita da dispositivi basati sul silicio. Nelle celle di silicio, il silicio agisce sia come antenna (o donatore di elettroni, tecnicamente) che come valvola elettronica. Il silicio è ampiamente disponibile, relativamente economico e ha una larghezza di banda ideale per la raccolta solare. Al rovescio della medaglia è energeticamente ed economicamente costoso produrre del silicio alla rinfusa, e sono stati fatti grandi sforzi per ridurre la quantità richiesta. Inoltre, è meccanicamente fragile, che in genere richiede una lastra di vetro forte da utilizzare come supporto meccanico e protezione dagli elementi. Il vetro da solo è una parte significativa del costo di un tipico modulo solare.

Secondo il limite di Shockley-Queisser, la maggior parte dell’efficienza teorica di una cella è dovuta alla differenza di energia tra il bandgap e il fotone solare. Qualsiasi fotone con più energia del bandgap può causare fotoeccitazione, ma qualsiasi energia al di sopra dell’energia di bandgap viene persa. Considerare lo spettro solare; solo una piccola parte della luce che raggiunge il suolo è blu, ma quei fotoni hanno tre volte l’energia della luce rossa. La banda proibita di Silicon è 1.1 eV, quella di luce rossa, quindi in questo caso l’energia della luce blu viene persa in una cella di silicio. Se la banda proibita è accordata più in alto, diciamo al blu, quell’energia viene catturata, ma solo a costo di rifiutare i fotoni di energia più bassa.

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È possibile migliorare notevolmente su una cella a giunzione singola accatastando strati sottili di materiale con bandgap diversi uno sopra l’altro: l’approccio “cella tandem” o “multi-giunzione”. I metodi tradizionali di preparazione del silicio non si prestano a questo approccio. Sono stati impiegati film sottili di silicio amorfo, in particolare i prodotti Uni-Solar, ma altri problemi hanno impedito che questi corrispondessero alle prestazioni delle celle tradizionali. La maggior parte delle strutture a cellule tandem si basa su semiconduttori a prestazioni più elevate, in particolare l’arseniuro di gallio (GaAs). Le celle GaAs a tre strati hanno raggiunto un’efficienza del 41,6% per gli esempi sperimentali. A settembre 2013, una cella a quattro strati ha raggiunto il 44,7% di efficienza.

L’analisi numerica mostra che la cella solare “perfetta” a strato singolo dovrebbe avere una banda proibita di 1,13 eV, quasi esattamente quella del silicio. Una tale cella può avere un’efficienza massima di conversione della potenza teorica del 33,7% – la potenza solare al di sotto del rosso (nell’infrarosso) viene persa e anche l’energia extra dei colori più alti viene persa. Per una cella a due strati, uno strato deve essere regolato su 1,64 eV e l’altro su 0,94 eV, con una prestazione teorica del 44%. Una cella a tre strati deve essere sintonizzata su 1,83, 1,16 e 0,71 eV, con un’efficienza del 48%. Una cella teorica di “infinito-strato” avrebbe un’efficienza teorica del 68,2% per luce diffusa.

Mentre le nuove tecnologie solari che sono state scoperte sono centrate sulla nanotecnologia, ci sono diversi metodi materiali attualmente utilizzati.

L’etichetta di terza generazione comprende più tecnologie, sebbene includa tecnologie non a semiconduttore (inclusi polimeri e biomimetici), punto quantico, celle tandem / multi-giunzione, celle solari a banda intermedia, celle hot carrier, tecnologie di upconversion e downconversion di fotoni e solar tecnologie termiche, come la termofotonica, che è una tecnologia identificata da Green come terza generazione.

Include anche:

Nanostrutture di silicio
Modifica dello spettro degli incidenti (concentrazione), per raggiungere i 300-500 soli e l’efficienza del 32% (già raggiunta nelle celle Sol3g) a + 50%.
Uso della generazione termica in eccesso (causata dalla luce UV) per migliorare le tensioni o la raccolta del vettore.
Uso dello spettro infrarosso per produrre elettricità di notte.

Quarta generazione: ibrida
La prossima generazione di celle solari si basa sull’offerta inorganico-in-organico di una migliore efficienza di conversione energetica rispetto alle attuali celle solari di terza generazione (3Gen), mentre aumenta il suo costo base. Combinano – all’interno dello stesso strato – il basso costo e la flessibilità dei film polimerici conduttivi (organici) con la stabilità della vita delle nanostrutture (inorganiche) e sfruttando le proprietà di questi nuovi materiali attivi ibridi (organici / inorganici) per le prestazioni oltre i dispositivi 3Gen.

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