Las células fotovoltaicas de tercera generación son células solares que son potencialmente capaces de superar el límite de Shockley-Queisser de eficiencia energética de 31 a 41% para células solares de banda única . Esto incluye una gama de alternativas a las celdas hechas de uniones pn semiconductoras ("primera generación") y celdas 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 los desarrollos más teóricos incluyen 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, produciendo así más energía), efectos de portadora caliente y otras técnicas de expulsión de portadora múltiple. [1] [2] [3] [4] [5]
Los logros en la investigación de las células de perovskita, especialmente, han recibido una enorme atención por parte del público, ya que la eficiencia de su investigación se disparó recientemente por encima del 20 por ciento. También ofrecen un amplio espectro de aplicaciones de bajo costo. [6] [7] [8] Además, otra tecnología emergente, la energía fotovoltaica de concentrador (CPV), utiliza células solares de unión múltiple de alta eficiencia en combinación con lentes ópticas y un sistema de seguimiento.
Las células solares pueden considerarse equivalentes de luz visible a los receptores de radio . Un receptor consta de tres partes básicas; una antena que convierte las ondas de radio (luz) en movimientos ondulantes 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 celda solar idéntica a una radio, un sistema conocido como rectenna óptica , pero hasta la fecha estos no han sido prácticos.
La mayor parte del mercado de la energía solar está compuesta por dispositivos basados en silicio. En las células de silicio, el silicio actúa tanto como antena (o donante de electrones , técnicamente) como como válvula de electrones. El silicio está ampliamente disponible, es relativamente económico y tiene una banda prohibida que es ideal para la recolección solar. En el lado negativo, es energética y económicamente caro producir silicio a granel, y se han realizado grandes esfuerzos para reducir la cantidad requerida. Además, es mecánicamente frágil, lo que normalmente requiere una hoja de vidrio resistente para ser utilizada como soporte mecánico y protección contra los elementos. El vidrio solo es una parte significativa del costo de un módulo solar típico.
De acuerdo con el límite de Shockley-Queisser, la mayor parte de la eficiencia teórica de una celda 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; solo 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 el intervalo de banda se sintoniza más alto, digamos al azul, esa energía ahora se captura, pero solo a costa de rechazar los fotones de menor energía.
Es posible mejorar enormemente una celda de unión única apilando capas delgadas de material con diferentes bandgaps 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 estos igualen el rendimiento de las células tradicionales. La mayoría de las estructuras de celdas 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% para los ejemplos experimentales. [9] En septiembre de 2013, una celda de cuatro capas alcanzó una eficiencia del 44,7 por ciento. [10]