O evaluare a tehnologiilor de conversie a energiei solare şi oportunităţi de cercetare

Rezumat

Fluxului de energie solara care ajunge la suprafata Pamantului reprezinta de câteva mii de ori utilizarea actuală de energie primară de către oameni. Potenţialul acestei resurse este enorm şi face energiei solare o componentă esenţială a unui portofoliu de energie regenerabilă care vizează reducerea emisiilor globale de gaze cu efect de seră în atmosferă. Cu toate acestea, utilizarea actuală a acestei resurse de energie reprezintă mai puţin de 1% din producţia totală de energie electrică din surse regenerabile. Chiar dacă desfăşurarea sistemelor fotovoltaice a crescut în mod constant în ultimii 20 de ani, tehnologiile solare suferă încă de unele dezavantaje pe care le face slab competitive pe o piaţă dominată de energia de combustibilii fosili: costul de capital ridicat, eficienţă de conversie modesta, şi intermitentă. Dintr-un punct de vedere ştiinţific şi tehnic, dezvoltarea de noi tehnologii cu eficienţă de conversie mai mare şi costuri scăzute de producţie este o cerinţă cheie pentru a permite utilizarea energiei solare, la o scară largă. Acest raport rezumă starea de cercetare în unele tehnologii mature şi emergente solare cu potenţial ridicat pentru producerea de energie larga, şi identifică teme fundamentale de cercetare, care sunt cruciale pentru îmbunătăţirea performanţei lor, fiabilitate, şi competitivitate.

Introducere

Radiaţia solară reprezintă cel mai mare flux de energie care intră în ecosistemul terestru. După reflecţie şi absorbţie în atmosferă, 100000 TW lovesc suprafaţa Pământului şi să se supună de conversiei la toate formele de energie utilizate de către oameni, cu excepţia energiei nucleare, geotermale, şi mareelor. Această resursă este enormă şi corespunde aproape de 6.000 de ori mai mult decât consumul mondial actual de energie primară (13.7TW [1]). Astfel, energia solară are potenţialul de a deveni o componenta importanta a unui portofoliu de energie durabilă cu emisii de gaze cu efect de seră constrânse. Radiaţia solară este o resursă de energie regenerabilă care a fost folosit de omenire în toate timpurile.

Tehnologiile solare pasive au fost deja folosite de civilizatiile antice pentru încălzire şi / sau racire de locuinţe şi pentru încălzirea apei; în Renaştere, concentrarea radiaţiei solare a fost intens studiata şi în secolul al 19-lea au fost construite primele motoare solare bazate pe mecanica [2]. Descoperirea efectului fotovoltaic de Becquerel in 1839 si crearea primelor celule fotovoltaice la începutul anilor 1950 a deschis perspective noi în întregime cu privire la utilizarea energiei solare pentru producerea de energie electrică. De atunci, evoluţia tehnologiilor solare continuă într-un ritm fără precedent. În prezent, există o varietate extrem de mare de tehnologii solare, celulele fotovoltaice şi-au câştigat o cotă de piaţă în creştere in ultimii 20 de ani. Cu toate acestea, producerea la nivel mondial de energie solară este încă mică în comparaţie cu potenţialul acestei resurse [3]. Costul actual al tehnologiilor solare şi natura lor intermitenta le face greu competitive pe o piaţă a energiei în continuare dominată de combustibilii fosili ieftini. Dintr-un punct de vedere ştiinţific şi tehnologic, marea provocare este găsirea de noi soluţii pentru sisteme de energie solară pentru a deveni mai puţin capital intensive şi mai eficiente. Multe eforturi de cercetare sunt adresate acestor probleme. Pret scazut şi / sau concepte fotovoltaice de inalta eficienta sunt în curs de dezvoltare. Tehnologiile termice solare au ca scop atingerea unui stadiu matur de dezvoltare cu potenţial de a deveni competitive pentru aprovizionarea cu energie pe o scara larga. Intermitenta este adresata cu eforturi de cercetare extinsă în dispozitive de stocare a energiei, cum ar fi baterii şi alte sisteme electrice de depozitare, de stocare termică, şi producţia de combustibili solare directe (de obicei hidrogen). Toate aceste rute sunt valoroase pentru creşterea competitivităţii şi a performanţelor tehnologiilor solare.

Scopul acestui raport este de a evalua potenţialul energiei solare pentru emisii reduse de carbon si de producţii mari de energie la scară largă şi pentru a oferi o imagine de ansamblu a cercetării în tehnologiile solare cele mai semnificative. Mai mult de o analiză cuprinzătoare, acest document se doreste a fi o încercare de a identifica teme interdisciplinare şi cercetare fundamentală cu potenţial mare de descoperire, pentru îmbunătăţirea performanţei, fiabilitate, şi competitivitatea tehnologiilor solare. Din acest motiv, această analiză este o abordare de jos în sus; tehnologiile solare sunt organizate pe căi de conversie a energiei şi discuţia se concentrează, atunci când este posibil, pe procesele fundamentale şi provocările tehnice intalnite. De asemenea, referinţele citate au

menirea de a indica state-of-the-art şi să nu fie o imagine cuprinzătoare a cercetărilor în curs de desfăşurare. Acolo unde este posibil, comentariile au fost menţionate, oferind cititorului mai multe detalii.

Radiatia solara

Radiaţia solară este o unda electromagnetica emisa de către suprafaţa soarelui, care provin în cea mai mare parte din zona soarelui în care reacţiile de fuziune convertesc atomii de hidrogen în heliu. In fiecare secunda 3.89.1026J de energie nucleara este eliberată de către miezul Soarelui [4]. Acest flux de energie nucleară este rapid transformată în energie termică şi transportata spre suprafaţa unde acesta este eliberata sub formă de radiaţii electromagnetice. Densitatea de putere emisa de soare este de ordinul a 64MW/m2 din care ~1370W/m2 ajunge la partea superioară a atmosferei Pământului, fara nici o absorbţie semnificativă în spaţiu. Cantitatea din urmă este numită constantă solară. Domeniul spectral al radiaţiei solare este foarte mare şi cuprinde lungimi de undă nanometrice de gamma- şi raze X prin lungimi de undă metrice de unde radio. Fluxul de energie este împărţit inegal între cele trei mari categorii spectrale. Ultraviolete (UV) radiaţii (λ <400nm) ce reprezintă mai puţin de 9% din total; lumina vizibila (VIS) (400nm<λ <700Nm) pentru 39%; şi infraroşu (IR) pentru aproximativ 52%.

Aşa cum se arată în Fig. 1, modelul din spectrul solar seamănă îndeaproape cu radiaţia unui corp negru perfect la 5800K. În figura, AM0 indică Air Mass Zero spectrul de referinţă măsurat - şi parţial modelat - în afara atmosferei terestre [5]. Radiatiile care ajung la suprafata Pamantului sunt modificate de o serie de factori, şi anume înclinarea axei Pământului şi atmosfera care provoacă atât absorbţie cat şi reflecţie (albedo) pe o parte a radiaţiei de intrare. Influenţa de toate aceste elemente la radiatia solara este vizibil în spectrul de la nivelul solului, etichetate AM1.5 în Fig. 1, în cazul în care absorbţie a luminii de elementele moleculare din atmosfera este deosebit de evident. Evidenta pentru absorbţia de către atmosferă, reflecţie din nori, oceane, şi suprafeţele terestre, şi de rotatie a Pamantului (zi / cicluri de noapte), media anuală a radiaţiei solare care ajunge la suprafata este 170W/m2 pentru oceane şi 180W / m2 pentru continente [4].

AM1.5 este spectrul de referinţă măsurat la un unghi al soarelui de 48.19 °, la amiaza.

Din aceasta, aproximativ 75% este lumină directă, restul fiind împrăştiată de moleculele de aer, vapori de apă, aerosoli, şi nori.

Diagrama din Fig. 2 ilustrează fluxul potentialului de munca, sau exergia, a energiei solare în atmosferă şi ecosistemul terestru. Această cantitate reprezintă limita superioară a actiunii obţinute din conversia radiatiei solare, care este o limită impusă de a doua lege a termodinamicii şi este independenta de orice dispozitiv conceptual.

Din 162PW din radiatia solara care ajunge pe Pamant, 86PW a lovit suprafaţa ei în formă directa (75%) şi lumina difuza (25%). Calitate energiei radiaţiei difuze este mai mica (75,2% din conţinutul exergie în loc de 93,2% pentru lumina directa [7]), cu consecinţe asupra sumei de lucru care poate fi extrasa din ea. 38PW loveste continentele si un total de exergie de 0.01TW este estimat a fi distrus în timpul colectării şi utilizarii radiaţiei solare pentru servicii energetice. Aceasta estimare include utilizarea de instalatii termice fotovoltaice şi solare pentru producerea de energie electrică şi apă caldă. Estimări similare sunt afişate pentru energia eoliană (0.06TW), gradient termic al oceanului (nu sunt încă exploatate pentru producerea de energie), şi energiei hidroelectrice (0.36TW) [6].

Potentialul energiei solare

Deployment

Potentialul global de energie solara variază de la 2,5 la 80TW. Cea mai scăzută estimare reprezintă aproximativ 18% din consumul de curent total de energie primara (13.7TW [1]), şi depăşeşte 10% din cererea estimată de energie primară până în 2030 (21.84TW [1]). Mai multe ipoteze optimiste oferă un potenţial de energie solară mai mare de 5 ori consumului actual de energie la nivel mondial.

În ciuda densitatii de putere relativ scăzută a fluxului solar, energia solară are potenţialul de a furniza o fracţiune non-neglijabila de nevoile noastre energetice. În cazul SUA, de exemplu, cererea totală de energie electrică (418GW în 2002) ar putea fi îndeplinite acoperind o suprafata de teren de 180 kilometri patrati cu celule fotovoltaice. Această suprafaţă reprezintă 0,35% din suprafaţa totală şi corespunde aproximativ la suprafaţa acoperită de drumuri din ţară (3.6.1010m2 [8]). Toata electricitatea SUA ar putea fi, prin urmare, produsa acoperind drumurile pavate cu module fotovoltaice (PV). Desigur, aceasta nu poate fi aplicată în toate ţările, în cazul în care fracţiunea terenurilor necesare poate fi mai importanta (de exemplu, 24% pentru Belgia [9]), cu impact ulterior mare social şi de mediu.

Cota de piaţă a energiei solare este încă scăzut. Generarea curenta de energie electrică din PVS este doar de ordinul a 2.6GW în comparaţie cu 36.3GW pentru toate energiile regenerabile, exclus hidroelectrice [1,10]. In tările dezvoltate sunt în continuă creştere investiţiile în centralele electrice solare, şi proiecţiile pentru 2030 AIE ofera o îmbunătăţire a producerii de energie solară până la 13.6GW (din care 80% va fi din fotovoltaic, şi restul (2.4GW) de la centralele termice solare). Cu toate acestea, această sumă nu va depăşi 6% din producţia totală de energie electrica din energii non-hidro regenerabile (a se vedea figura 3.). Este de remarcat faptul că tehnologiile pasive solare pentru incalzirea apei, care nu sunt incluse în aceste statistici, reprezintă o sumă destul de mare de putere. AIE estimează o producţie de energie de 5.3GW în 2002 şi o creştere de până la 46GW până în 2030 [1].

Cauzele majore de desfăşurare lentă a tehnologiilor solare sunt:

costul curent relativ de capital mare pe kW instalat în comparaţie cu alte tehnologii de combustibili fosili şi bazate pe surse regenerabile;

Natura intermitentă a consumului de energie, şi, prin urmare, cerinţa pentru sistemele de stocare a energiei sa se potriveasca furnizarea de energie cu cererea de energie electrică şi pentru a reduce costul de capital. Într-un termen mediu, de stocare a energiei va fi o cerinţă-cheie pentru energiile regenerabile intermitente pentru a deveni mai competitive faţă de combustibilii fosili. Acest raport nu este destinat pentru a analiza acest aspect mai în detaliu, dar evaluarea tehnologiilor de stocare a energiei este obiectul unui raport separat GCEP [11].

Dacă vrem energie solara pentru a contribui în mod semnificativ la aprovizionarea cu energie din lume, este necesara creşterea masivă a capacităţii de producţie. Din punct de vedere al cercetării, mai mult efort trebuie să fie pus în îmbunătăţirea eficienţei în acelasi timp cu reducerea costurilor de producţie. Aceasta este o mare provocare tehnologică care necesită investiţii mari de resurse financiare şi intelectuale pentru a găsi soluţii inovatoare.

Eficienta

În ultimii 30 de ani, eficienţa celulelor solare s-a îmbunătăţit continuu pentru toate tehnologiile. Printre cele mai importante realizări a fi remarcate ([20] - a se vedea mai jos pentru mai multe detalii despre tehnologiile specifice) sunt 24,7%-eficiente celule solare c-Si (Universitatea din South Wales, Australia), 18.4% CIGS eficiente solar celule (NREL), 16,5%-CdTe eficiente celule solare (NREL), şi / GaInP 39% eficiente din punct de GaAs / Ge triplejunction celule solare sub 241-sori de concentrare (SPECTROLAB) [21]. Cercetarea pe celule solare dyesensitized (DSSCs) şi celule solare organice (OSCs) a început doar în ultimul deceniu. Ultimul record raportat de eficienţă este 10,4% pentru DSSCs (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Elveţia) [22], şi 5,7% pentru OSCs (Universitatea Princeton) [23].

În ciuda progreselor notabile realizate în îmbunătăţirea eficienţei de toate aceste tehnologii, atins valori sunt încă departe de limitele eficienta termodinamica de ~ 31% pentru intersecţii singure, 50% pentru 3-celule stive, PVS impuritate, sau up-şi downconverters , şi 54-68% pentru transportator fierbinte sau dispozitive de

impact bazate pe ionizare [24]. În plus, eficienţa modulelor comerciale (sau chiar cele mai bune prototipuri) sunt doar de la aproximativ 50% la 65% din aceste celulele "campioane"[20]. Închiderea acestor lacune este obiectul de cercetare în curs de desfăşurare.

Eficienţa solar-pentru-electric de tehnologii termice solare variază în mare măsură, în funcţie de factorul de concentrare flux solar, temperatura de intermediar termic, precum şi eficienţa ciclu termic pentru producerea de lucru mecanic şi energie electrică. Jgheaburile parabolice şi turnurile de putere ajung la eficienţă maximă de aproximativ 20%. Sistemele Dish-Stirling sunt cele mai eficiente, cu ~ 30% eficienţa demonstrata solar-pentru-electric. Performanţa acestor sisteme este puternic influenţata de disponibilitatea centralei. În cazul de jgheaburi parabolice şi turnuri de putere, stocarea termică creşte factorul de capacitate anuală de obicei de la 20% la 50% şi respectiv 75%.

Aspecte de mediu ale energiei solare

Energia solară este promovată ca o tehnologie durabilă de aprovizionare cu energie din cauza naturii regenerabile a radiatiei solare şi capacitatii sistemelor de conversie a energiei solare de a genera gaze cu efect de seră-electricitate gratuita în timpul vieţii lor. Cu toate acestea, necesarul de energie şi impactul mediului asupra fabricaţiei modulului PV poate fi redus în continuare, chiar dacă analiza recenta a ciclurilor de energie şi de carbon pentru tehnologiile PV recunosc faptul că au fost făcute îmbunătăţiri semnificative atât în termeni de amortizare de energie cat şi de carbon.

Recuperarea de energie

În cazul PC-Si, calculele de recuperare a energiei nu sunt simple, pentru că industria de PV de astăzi de obicei recristalizeaza siliciu reciclat din industria de semiconductori. Calculele raportate în 2000 de către E. Alsema [25] da o estimare a necesarului de energie pe ciclul de viaţă încorporat în, respectiv, fara rama module sc-Si şi PC-Si PV de 1580kWh/m2 (11.4kWh / W) şi 1170kWh/m2 ( 8.8kWh / W). Până în 2010, cerinţa de energie electrică pentru aceste tehnologii

PV este prognozata să scadă la 890kWh/m2 (5.6kWh / W) şi 720kWh/m2 (4.7kWh / W) [25]. Presupunând că eficienţa de conversie de 12% (condiţii standard) şi 190W/m2 de flux de energie a luminii soarelui, acest rezultat într-un timp de recuperare de aproximativ 4.5 ani pe termen scurt pentru modulele fotovoltaice pc-Si. Aşa cum este ilustrat în Fig. 5, estimări mai recente de durata de recuperare a energiei pentru tehnologiile siliciu policristalin (pc-Si) sunt de aproximativ doi ani [26].

Pentru filme subtiri, energia necesară pentru a depune stratul activ este neglijabilă în comparaţie cu formarea plachetelor de siliciu cristalin. În schimb, chiuveta principala de energie este energia încorporate în substratul de sticlă sau oţel inoxidabil, procesul de depunere de film, şi de exploatare a sălilor. Aceste costuri de energie sunt similare pentru toate tehnologiile thin-film (CIGS, CdTe, α-Si), variind numai în procesele de depunere a filmului. O estimare pentru cerinţa fara rama α-Si modul de energie electrică este 330kWh/m2 (4.3kWh / W) [25]. Potrivit acestor estimări şi presupunând eficienţă de conversie 7% (condiţii standard) şi 190W/m2 de flux lumina disponibilă, durata de recuperare pentru sistemele actuale PV film-subţire este de aproximativ 2.8 ani. Estimările recente dau amortizari mai scurte tehnologiei film-subtire de aproximativ un an [26].

Într-un acoperiş sau sol-montat, sistemul PV legat în reţea, componentele BOS şi modul de cadre reprezintă o fracţiune non-neglijabila din totalul necesarului de energie [27]. Pentru un acoperiş-un alt sistem de montat 120 kWh/m2 ar trebui să fie adăugată la cerinţa generală de energie pe ciclul de viaţă, rezultând într-o perioadă de recuperare de aproximativ 3,5 ani. Structurile de sprijin pentru sistemele de sol montate ar adăuga încă un an pentru perioada de amortizare. În ciuda gamei largi de amortizari care pot fi găsite în literatura de specialitate, toate estimările rămână mai ridicat decât pentru alte surse regenerabile, cum ar fi energia eoliană (de exemplu, 3-4 luni pentru eoliene [28]).

Este interesant de observat că analiza cu combustibili fosili, producţia de energie a sugerat că are perioade similare de recuperare a energiei la tehnologiile PV caz în care costurile pentru minerit, transport, rafinare, si de construcţie sunt incluse în calculul ciclului de viaţă al combustibililor fosili [ 29].

Privire de ansamblu asupra tehnologiilor solare

O mare varietate de tehnologii solare au potenţialul de a deveni o mare componentă a portofoliului de energie în viitor. Tehnologiile pasive sunt folosite pentru iluminat interior şi de încălzire a clădirilor şi a apei pentru uz casnic. De asemenea, diverse tehnologii active sunt folosite pentru a converti energia solară în purtători de energie diferiti pentru utilizarea ulterioară:

Fotovoltaicele convertesc direct energia fotonica în energie electrică. Aceste dispozitive folosesc materiale organice sau anorganice, semiconductori care absorb fotonii cu energie mai mare decât decalajul lor de banda de a promova purtători de energie în banda lor de conducţie. Perechi electron-gol, sau excitonilor pentru semiconductori organici, ulterior sunt separate şi taxe sunt colectate de la electrozi pentru generarea de electricitate.

Tehnologiile termice solare transforma energia luminii direct în energie termică folosind dispozitive concentrator. Aceste sisteme pot atinge temperaturi de cateva sute de grade cu exergie asociata ridicata. Electricitatea poate fi apoi produsa folosind diverse strategii, inclusiv motoare termice (de exemplu, motoarele Stirling) şi alternatoare, extracţia de electroni directa de la dispozitivele calde, efectul Seebeck în generatoare termoelectrice, conversie de lumina IR radiata de către organismele fierbinti prin intermediul dispozitivelor thermophotovoltaice, şi de conversie a energiei cinetice a gazelor ionizate prin convertoare magnetohidrodinamice.

Procesele Fotosintetice, foto (electro) chimice, termice, si termochimice sunt folosite pentru a converti energia solara in energie chimica de stocare a energiei sub formă de combustibili chimici, in special hidrogen. Printre cele mai semnificative procese pentru producţia de hidrogen sunt divizarea directa a apei solare în celule fotoelectrochimice sau diferite cicluri termochimice, cum ar fi ciclul doi paşi de apă-divizata folosind sistemul redox Zn/ZnO.

Acest document se concentrează pe tehnologii solare active care sunt organizate în funcţie de căile de conversie a energiei pe care le folosesc pentru a converti energia fotonilor într-o formă de energie utilizabilă: fotoni-in-energie electrică, fotoni-in-energie chimica, fotoni-in-caldura- toelectricity, şi fotoni-in-caldura-in-energie chimica (a se vedea figura 6). Această analiză se concentrează

asupra proceselor fizice fundamentale care guvernează funcţionarea dispozitivelor solare cu intenţia de a identifica tendinţe comune sau sinergii între diferite tehnologii care ar putea ajuta la identificarea oportunităţilor de cercetare noi.

Conversia foton-in-energie electrica

Dispozitivele fotovoltaice permit producţia de energie electrică direct de la absorbtia luminii. Materialul activ într-un sistem fotovoltaic este un semiconductor capabil de a absorbi fotoni cu energii egale sau mai mare decât decalajul acestuia de banda. La absorbţia fotonilor, un electron de pe banda de valenţă este promovat la banda de conducţie şi este liber să circule prin cea mai mare parte a semiconductorului. Pentru ca această taxă libera sa fie capturata pentru actuala generaţie, dezintegrarea la starea de energie mai mica, adică recombinarea cu gaura în banda de valenţă, trebuie să fie prevenita prin taxa de separare.

În dispozitivele fotovoltaice din semiconductori anorganici, separarea taxei este condusa de-a construit în câmp electric la jonctiunea p-n. Ca o consecinţă, eficienţa lor este determinată de capacitatea de transport a minoritatii fotogenerate pentru a ajunge la jonctiunea p-n înainte de recombinarea cu transportatorii majoritari în cea mai mare parte a materialului. Astfel, proprietăţile cum ar fi cristalinitatea şi puritatea chimică de multe ori controleaza eficienta dispozitivului.

Funcţionarea fotovoltaicelor organice (OPVs) este fundamental diferită. Proprietăţile optice şi electronice ale materialelor semiconductoare organice sunt determinate de orbite moleculare care sunt construite din însumarea orbitelor individuale atomice în moleculă.

Proprietăţile moleculei, şi în special decalajul de banda, sunt determinate de cel mai înalt orbital molecular ocupat (homo), si cel mai jos orbital neocupat molecular (LUMO). Absorbţia luminii, fie în molecule mici sau în polimeri conjugati [33] conduce la formarea unui exciton, adică o pereche electron-gol care sunt legati împreună de atracţia Coulomb, care trebuie să fie disociată. Un câmp electric "built-in" poate fi creat intercaland un semiconductor organic între doi semiconductori cu funcţii diferite de lucru, dar această metodă nu este eficientă în divizarea excitonilor. În schimb, disocierea eficienta a excitonilor are loc la interfaţa dintre un material donator, în cazul în care excitonul este creat, şi un material acceptor cu un nivel de energie gol, care este mai mic decât LUMO al donatorului (a se vedea Fig. 7). Disocierea excitonului la heterojoncţiune produce electronii pe o parte a interfeţei deja separate de găurile produse pe cealaltă parte a interfeţei. Acest lucru creează o interfata fotoindusa de energie potenţiala chimica care conduce eficient efectul fotovoltaic, chiar şi în absenţa unui potential electric construit.

Eficienţa acestor dispozitive este determinată de cerinţa ca excitonii sa ajunga la interfaţa donator-acceptor, taxele sunt transferate înainte sa se produca recombinarea, iar taxele sunt ulterior transportate la electrozii dinainte de electronii transferati de la LUMO de acceptor la HOMO donator.

În ambele tehnologii anorganice si organice fotovoltaice, multe strategii sunt în curs de investigare pentru realizarea absorbţiei eficientă de lumina, taxa de separare, de transport, şi de colectare. Analiza de faţă se referă la aceste procese fundamentale şi se întinde pe o gama larga de tehnologii bazate pe materiale semiconductoare anorganice, cum ar fi siliciu (c-Si, pc-Si, sau α-Si), compuşi III-V (de exemplu, GaAs, InP), calcogenuri (de exemplu, CdTe, CIGS), şi diverse organice pe bază de filme subtiri:

Celulele fotoelectrochimice, sau Dye-Sensitized Solar Cells(DSSCs), în cazul în care se produce absorbţia luminii în vopsele organice absorbite pe

suprafata unui substrat semiconductor de decalajul de banda larga a oxizilor metalici nanostructurati, de obicei, TiO2; la excitatie, electronii sunt injectati în banda de conducţie de oxid semiconductor şi găurile sunt "scavenged" de un cuplu in solutie de redox, cum ar fi iodura / triiodide (I-/I3 -). Celulele fotoelectrochimice in stare solida utilizeaza un semiconductor organic sau medii ionice ca un înlocuitor pentru electrolitul lichid;

Dispozitivele plane organice multistrat, în care moleculele sunt depozitate secvenţial pentru a forma un dispozitiv suprapus;

Heterojonctiunile de masa organica, în cazul în care materialele pentru donatorul organic si acceptor sunt amestecate pe scară nanometrică;

Compozite organice/anorganice, cum ar fi combinarea heterojonctiunilor luminii de absorbţie a polimerilor conjugaţi şi decalajul mare de banda a materialului anorganic nanostructurat, cum ar fi TiO2 sau ZnO;

Structurile artificiale fotosintetice macromoleculare unde absorptia de lumina şi separarea taxei sunt realizate de complexe separate în aceeaşi structură.

În plus, tehnologiile avansate de film subţire, numite "a treia generatie de fotovoltaice", sunt considerate o cale promiţătoare pentru creşterea eficienţei şi/sau scăderea costului de celule fotovoltaice (vezi fig. 8). Unele tehnologii avansate de film subtire incluse în această categorie sunt enumerate în următorul paragraf.

Absorbţia de fotoni şi generarea transportului

Una dintre cerinţele cele mai critice pentru o celulă de joncţiune unice este ca decalajul de banda de energie trebuie să fie optimizat pentru a transfera energia maximă de la lumina incidenta la perechile electron-gol generati. Optimizarea simultana a tensiunii celulei, proporţională cu Edecalaj de banda , densitatea curentului fotogenerat, în scădere cu Edecalaj de banda , şi de factorul de umplere, în creştere cu Edecalaj de banda [34], oferă o valoare optimă a E decalaj de banda~ 1.1-1.4eV.

Energia decalajului de banda de siliciu (1.12eV) este aproape ideala şi permite absorbtia de fotoni în spectrul infrarosu apropiat (NIR), vizibil, şi ultraviolete. Cu toate acestea, decalajul de banda indirecta de siliciu cristalin cauzeaza absorbţia relativ slabă a luminii (<104cm-1) pentru fotonii cu energii mai mici de 3.4eV, care este energia decalajul de banda de siliciu directa.

Prin urmare, forma tipica sc-Si trebuie să fie de 100-300μm grosime pentru realizarea absorbţiei eficiente de lumină.

Materialele fotovoltaice cu film subtire au un avantaj major asupra siliciu, deoarece cele mai multe dintre ele au decalajul de banda direct, rezultând o absorbţie optica mai mare. Acest lucru permite dispozitivelor cu film subtire tipice PV de a utiliza straturi foarte subţiri de material activ (~ 1μm), care pot fi astfel de calitate inferioară. Materialele cele mai de succes de azi pentru celulele fotovoltaice cu film subtire sunt α-Si, în cazul în care absorbţia optică este crescuta de împrăştierea impuritatilor, CdTe, cu un decalaj de banda de 1.48eV, şi CIGS, a căror decalaj de banda poate fi reglat in jurul valorii nominale a 1.04eV prin controlul compoziţiei sale care are cea mai mare constanta de absorbţie (3-6.105cm-1) raportata pentru oricare semiconductor. Mai mult efort este necesar de a găsi noi materiale semiconductoare care combină decalajul de banda optim, limitele inactive cereale, proprietăţile de stabilitate, şi procesare usoara.

Pag 17