Célula fotovoltaica de terceira geração

As células fotovoltaicas de terceira geração são células solares potencialmente capazes de superar o limite Shockley – Queisser de 31–41% de eficiência de energia para células solares de bandgap único. Isso inclui uma gama de alternativas para células feitas de junções pn semicondutoras (“primeira geração”) e células de filme fino (“segunda geração”). Sistemas comuns de terceira geração incluem células multicamadas (“tandem”) feitas de silício amorfo ou arseneto de gálio, enquanto desenvolvimentos mais teóricos incluem conversão de freqüência (isto é, mudar as freqüências de luz que a célula não pode usar para iluminar freqüências que a célula pode uso – produzindo assim mais potência), efeitos de suporte de calor e outras técnicas de ejeção de múltiplas portadoras.

A energia fotovoltaica emergente inclui:

Célula solar de sulfeto de zinco de cobre (CZTS) e seus derivados CZTSe e CZTSSe
Célula solar sensibilizada por corante, também conhecida como “célula de Grätzel”
Célula solar orgânica
Célula solar de perovskita
Célula solar de ponto quântico

Especialmente as conquistas na pesquisa de células de perovskita receberam grande atenção do público, já que suas eficiências de pesquisa recentemente aumentaram acima de 20%. Eles também oferecem um amplo espectro de aplicativos de baixo custo. Além disso, outra tecnologia emergente, a fotovoltaica concentradora (CPV), utiliza células solares multi-junção de alta eficiência em combinação com lentes ópticas e um sistema de rastreamento.

Tecnologias
As células solares podem ser vistas como contrapartes de luz visível para os receptores de rádio. Um receptor consiste em três partes básicas; uma antena que converte as ondas de rádio (luz) em movimentos de onda de elétrons no material da antena, uma válvula eletrônica que prende os elétrons quando eles saem da extremidade da antena e um sintonizador que amplifica os elétrons de uma freqüência selecionada. É possível construir uma célula solar idêntica a um rádio, um sistema conhecido como retenna ótica, mas até o momento isso não é prático.

A maior parte do mercado de energia solar é composta de dispositivos baseados em silício. Nas células de silício, o silício atua tanto como antena (ou doador de elétrons, tecnicamente) quanto na válvula de elétrons. O silício é amplamente disponível, relativamente barato e tem um bandgap que é ideal para a coleta solar. No lado negativo, é energético e economicamente caro produzir silício a granel, e grandes esforços foram feitos para reduzir a quantidade necessária. Além disso, é mecanicamente frágil, o que normalmente requer que uma folha de vidro forte seja usada como suporte mecânico e proteção contra os elementos. O vidro sozinho é uma parte significativa do custo de um módulo solar típico.

De acordo com o limite Shockley-Queisser, a maior parte da eficiência teórica de uma célula é devida à diferença de energia entre o bandgap e o fóton solar. Qualquer fóton com mais energia que o bandgap pode causar fotoexcitação, mas qualquer energia acima da energia do bandgap é perdida. Considere o espectro solar; apenas uma pequena porção da luz que chega ao solo é azul, mas esses fótons têm três vezes a energia da luz vermelha. O bandgap do silício é de 1,1 eV, sobre o da luz vermelha, então neste caso a energia da luz azul é perdida em uma célula de silício. Se o bandgap for ajustado mais alto, digamos, para o azul, essa energia será capturada agora, mas apenas ao custo de rejeitar fótons de energia mais baixa.

É possível melhorar muito em uma célula de junção única, empilhando camadas finas de material com bandgaps variados em cima uns dos outros – a abordagem “célula em tandem” ou “multi-junção”. Os métodos tradicionais de preparação de silício não se prestam a essa abordagem. Filmes finos de silício amorfo foram empregados, notadamente os produtos da Uni-Solar, mas outros problemas impediram que eles combinassem com o desempenho das células tradicionais. A maioria das estruturas de células em tandem é baseada em semicondutores de alto desempenho, notadamente o arsenieto de gálio (GaAs). As células de GaAs de três camadas atingiram uma eficiência de 41,6% para exemplos experimentais. Em setembro de 2013, uma célula de quatro camadas atingiu 44,7% de eficiência.

A análise numérica mostra que a célula solar de camada única “perfeita” deve ter um bandgap de 1,13 eV, quase exatamente o de silício. Essa célula pode ter uma eficiência de conversão de energia teórica máxima de 33,7% – a energia solar abaixo do vermelho (no infravermelho) é perdida, e a energia extra das cores mais altas também é perdida. Para uma célula de duas camadas, uma camada deve ser ajustada a 1,64 eV e a outra a 0,94 eV, com um desempenho teórico de 44%. Uma célula de três camadas deve ser ajustada para 1,83, 1,16 e 0,71 eV, com uma eficiência de 48%. Uma célula teórica de “camada infinita” teria uma eficiência teórica de 68,2% para luz difusa.

Enquanto as novas tecnologias solares que foram descobertas centram-se em torno da nanotecnologia, existem vários métodos de materiais diferentes usados ​​atualmente.

O rótulo de terceira geração engloba várias tecnologias, embora inclua tecnologias semicondutoras (incluindo polímeros e biomiméticos), pontos quânticos, células em tandem / multi-junções, células solares de banda intermediária, células transportadoras a quente, tecnologias upconversion e downconversion de fótons e energia solar. tecnologias térmicas, como a termofotônica, que é uma tecnologia identificada pela Green como sendo de terceira geração.

Inclui também:

Nanoestruturas de silício
Modificação do espectro de incidentes (concentração), para atingir 300 a 500 sóis e eficiências de 32% (já alcançados no Sol 3g células) a + 50%.
Uso de geração térmica excessiva (causada pela luz UV) para aumentar as tensões ou a coleta da portadora.
Uso do espectro infravermelho para produzir eletricidade à noite.

Quarta geração: híbrida
A próxima geração de células solares é baseada em produtos inorgânicos que oferecem uma melhor eficiência de conversão de energia em comparação com as atuais células solares de terceira geração (3Gen), enquanto aumentam seu custo base. Eles combinam – dentro da mesma camada – o baixo custo e a flexibilidade de filmes poliméricos condutores (orgânicos) com a estabilidade de vida das nanoestruturas (inorgânicas) e aproveitando as propriedades desses novos materiais ativos híbridos (orgânicos / inorgânicos) para Desempenho. além dos dispositivos 3Gen.