Las células fotovoltaicas de tercera generación son células solares que potencialmente pueden superar el límite de Shockley-Queisser de 31 a 41% de eficiencia energética para células solares de banda prohibida . 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 celdas 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 celda no puede usar a frecuencias de luz que la celda puede usar). uso, produciendo así más potencia), efectos de portadores calientes y otras técnicas de expulsión de múltiples portadores. [1] [2] [3] [4] [5]
La energía fotovoltaica emergente incluye:
Los logros en la investigación de las células de perovskita, en particular, han recibido una gran atención por parte del público, ya que recientemente la eficiencia de su investigación se disparó por encima del 20 por ciento. También ofrecen un amplio espectro de aplicaciones de bajo costo. [6] [7] [8] Además, otra tecnología emergente, la concentración fotovoltaica (CPV), utiliza células solares de múltiples uniones de alta eficiencia en combinación con lentes ópticas y un sistema de seguimiento.
Las células solares pueden considerarse como contrapartes de luz visible de 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 recena óptica , pero hasta la fecha no ha resultado práctico.
La mayor parte del mercado de la electricidad solar se compone de dispositivos basados en silicio. En las células de silicio, el silicio actúa como antena (o donante de electrones , técnicamente) y como válvula de electrones. El silicio está ampliamente disponible, es relativamente económico y tiene una banda prohibida que es ideal para la captación solar. El inconveniente es que producir silicio a granel resulta caro desde el punto de vista energético y económico, y se han realizado grandes esfuerzos para reducir la cantidad necesaria. Además, es mecánicamente frágil, lo que normalmente requiere el uso de una lámina de vidrio resistente como soporte mecánico y protección contra los elementos. El vidrio por sí solo representa una parte importante del coste de un módulo solar típico.
Según el límite de Shockley-Queisser, la mayor parte de la eficiencia teórica de una célula se debe a la diferencia de energía entre la banda prohibida y el fotón solar. Cualquier fotón con más energía que la banda prohibida puede causar fotoexcitación, pero cualquier energía por encima de la banda prohibida se pierde. Considere el espectro solar; sólo una pequeña porción de la luz que llega al suelo es azul, pero esos fotones tienen tres veces la energía de la luz roja. La banda prohibida del silicio es de 1,1 eV, aproximadamente la de la luz roja, por lo que en este caso la energía de la luz azul se pierde en una celda de silicio. Si la banda prohibida se sintoniza más alto, digamos al azul, esa energía ahora se captura, pero sólo a costa de rechazar fotones de menor energía.
Es posible mejorar enormemente una celda de unión simple apilando capas delgadas de material con diferentes bandas prohibidas una encima de la otra: el enfoque de "celda en tándem" o "unión múltiple" . Los métodos tradicionales de preparación de silicio no se prestan a este enfoque. En su lugar, se han empleado películas delgadas de silicio amorfo, en particular los productos de Uni-Solar , pero otros problemas han impedido que igualen el rendimiento de las células tradicionales. La mayoría de las estructuras de células en tándem se basan en semiconductores de mayor rendimiento, en particular arseniuro de galio (GaAs). Las células de GaAs de tres capas lograron una eficiencia del 41,6 % en los ejemplos experimentales. [9] En septiembre de 2013, una celda de cuatro capas alcanzó una eficiencia del 44,7 por ciento. [10]
El análisis numérico muestra que la célula solar de una sola capa "perfecta" debería tener una banda prohibida de 1,13 eV, casi exactamente la del silicio. Una celda de este tipo puede tener una eficiencia de conversión de energía teórica máxima del 33,7%: la energía solar debajo del rojo (en el infrarrojo) se pierde, y también se pierde la energía adicional de los colores más altos. Para una celda de dos capas, una capa debe sintonizarse a 1,64 eV y la otra a 0,94 eV, con un rendimiento teórico del 44%. Una celda de tres capas debería sintonizarse a 1,83, 1,16 y 0,71 eV, con una eficiencia del 48%. Una celda teórica de "capa infinita" tendría una eficiencia teórica del 68,2% para luz difusa. [11]
Si bien las nuevas tecnologías solares que se han descubierto se centran en la nanotecnología, actualmente se utilizan varios métodos materiales diferentes.
La etiqueta de tercera generación abarca múltiples tecnologías, aunque incluye tecnologías no semiconductoras (incluidos polímeros y biomiméticos ), puntos cuánticos , células en tándem/multiuniones , células solares de banda intermedia , [12] [13] células portadoras calientes , conversión ascendente de fotones. y tecnologías de conversión descendente, y tecnologías solares térmicas , como la termofotónica , que es una tecnología identificada por Green como de tercera generación. [14]
También incluye: [15]
