Font: www.energy.gov
Quan la llum brilla sobre una cèl·lula fotovoltaica (PV), també anomenada cèl·lula solar, aquesta llum es pot reflectir, absorbir o passar directament per la cèl·lula. La cèl·lula fotovoltaica es compon de material semiconductor; el "semi" significa que pot conduir l'electricitat millor que un aïllant, però no tan bé com un bon conductor com un metall. Hi ha diversos materials semiconductors diferents utilitzats en les cèl·lules fotovoltaiques.
Quan el semiconductor s’exposa a la llum, absorbeix l’energia de la llum i la transfereix a partícules carregades negativament del material anomenat electrons. Aquesta energia addicional permet que els electrons flueixin a través del material com a corrent elèctric. Aquest corrent s’extreu mitjançant contactes metàl·lics conductors (les línies en forma de xarxa de les cèl·lules solars) i es pot utilitzar per alimentar la vostra llar i la resta de la xarxa elèctrica.
L’eficiència d’una cèl·lula fotovoltaica és simplement la quantitat d’energia elèctrica que surt de la cèl·lula en comparació amb l’energia de la llum que hi brilla, cosa que indica l’eficàcia de la cèl·lula en convertir l’energia d’una forma a l’altra. La quantitat d’electricitat produïda a partir de les cèl·lules fotovoltaiques depèn de les característiques (com la intensitat i les longituds d’ona) de la llum disponible i els múltiples atributs de rendiment de la cèl·lula.
Una propietat important dels semiconductors fotovoltaics és l’interval de banda, que indica quines longituds d’ona de llum el material pot absorbir i convertir en energia elèctrica. Si la distància de banda del semiconductor coincideix amb les longituds d'ona de la llum que brilla a la cèl·lula fotovoltaica, aquesta cèl·lula pot fer ús eficient de tota l'energia disponible.
Més informació a continuació sobre els materials semiconductors més utilitzats per a cèl·lules fotovoltaiques.
SILICI
Siliconis, amb diferència, és el material semiconductor més comú utilitzat a les cèl·lules solars, que representa aproximadament el 95% dels mòduls venuts avui. També és el segon material més abundant a la Terra (després de l’oxigen) i el semiconductor més comú que s’utilitza en els xips d’ordinador. Les cèl·lules de silici cristal·lí estan fetes d’àtoms de silici connectats entre si per formar una xarxa cristal·lina. Aquesta xarxa proporciona una estructura organitzada que fa més eficient la conversió de la llum en electricitat.
Les cèl·lules solars fetes de silici proporcionen actualment una combinació d’alta eficiència, baix cost i llarga vida útil. S'espera que els mòduls durin 25 anys o més, i que produeixin més del 80% de la seva potència original després d'aquest temps.
FOTOVOLTAICS DE PEL·LÍCULA FINA
Una cèl·lula solar de pel·lícula prima es fabrica dipositant una o més capes primes de material fotovoltaic sobre un material de suport com el vidre, el plàstic o el metall. Actualment, hi ha al mercat dos tipus principals de semiconductors fotovoltaics de pel·lícula prima: tel·lurur de cadmi (CdTe) i diselenur de gali d’indi (CIGS). Tots dos materials es poden dipositar directament a la part frontal o posterior de la superfície del mòdul.
CdTe és el segon material fotovoltaic més comú després del silici i les cèl·lules CdTe es poden fabricar mitjançant processos de fabricació de baix cost. Tot i que això els converteix en una alternativa rendible, la seva eficiència encara no és tan elevada com el silici. Les cèl·lules CIGS tenen propietats òptimes per a un material fotovoltaic i una alta eficiència al laboratori, però la complexitat de la combinació de quatre elements fa que la transició del laboratori a la fabricació sigui més difícil. Tant CdTe com CIGS requereixen més protecció que el silici per permetre una operació de llarga durada a l’exterior.
FOTOVOLTAICS PEROVSKITE
Les cèl·lules perovskitesolars són un tipus de cèl·lules de pel·lícula prima i porten el nom de la seva característica estructura cristal·lina. Les cèl·lules de perovskita es construeixen amb capes de materials que s’imprimeixen, es recobreixen o es dipositen al buit sobre una capa de suport subjacent, coneguda com asubstrat.Normalment són fàcils de muntar i poden aconseguir eficiències similars al silici cristal·lí. Al laboratori, les eficiències de les cèl·lules solars de perovskita han millorat més ràpidament que qualsevol altre material fotovoltaic, passant d’un 3% el 2009 a més del 25% el 2020. Per ser viables comercialment, les cèl·lules fotovoltaiques de perovskita han de ser prou estables com per sobreviure durant 20 anys a l’aire lliure, de manera que els investigadors treballen per fer-los més duradors i desenvolupen tècniques de fabricació a gran escala i de baix cost.
FOTOVOLTAICS ORGÀNICS
Les cèl·lules PV orgàniques o OPV es componen de compostos orgànics rics en carboni i es poden adaptar per millorar una funció específica de la cèl·lula PV, com ara la banda, la transparència o el color. Actualment, les cèl·lules OPV són només la meitat d’eficaços que les cèl·lules de silici cristal·lí i tenen una vida útil més curta, però poden ser menys costoses de fabricar en grans volums. També es poden aplicar a una gran varietat de materials de suport, com ara plàstic flexible, cosa que fa que els OPV puguin servir una àmplia varietat d’usos.
PUNTS QUÀNTICS
Les cèl·lules solars de punts quàntics condueixen l’electricitat a través de petites partícules de diferents materials semiconductors d’uns pocs nanòmetres d’amplada, anomenades punts quàntics. Els punts quàntics proporcionen una nova manera de processar materials semiconductors, però és difícil crear una connexió elèctrica entre ells, de manera que actualment no són molt eficients. No obstant això, són fàcils de convertir en cèl·lules solars. Es poden dipositar en un substrat mitjançant un mètode de revestiment, un spray o impressores roll-to-roll com les que s’utilitzen per imprimir diaris.
Els punts quàntics tenen diverses mides i el seu abast de banda és personalitzable, cosa que els permet recollir llum difícil de capturar i emparellar-se amb altres semiconductors, com perovskites, per optimitzar el rendiment d’una cèl·lula solar multijunció (més sobre els següents).
FOTOVOLTAICS MULTIJUNCIÓ
Una altra estratègia per millorar l'eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques és la de capes de múltiples semiconductors per produir cèl·lules solars de funcionament múltiple. Aquestes cèl·lules són essencialment piles de diferents materials semiconductors, a diferència de les cèl·lules d’unió única, que només tenen un semiconductor. Cada capa té una banda diferent, de manera que cadascuna absorbeix una part diferent de l’espectre solar, fent un major ús de la llum solar que les cèl·lules d’unió única. Les cèl·lules solars de múltiples funcions poden assolir nivells d’eficiència rècord perquè la llum que no s’absorbeix amb la primera capa de semiconductor és capturada per una capa que hi ha a sota.
Tot i que totes les cèl·lules solars amb més d’un bandgap són cèl·lules solars de multifunció, una cèl·lula solar amb exactament dues bandgays s’anomena cèl·lula solar tàndem. Cèl·lules solars multifunció que combinen semiconductors de les columnes III i V de la taula periòdica anomenades cèl·lules solars multifunció III-V.
Les cèl·lules solars multifunció han demostrat una eficiència superior al 45%, però són costoses i difícils de fabricar, de manera que estan reservades a l’exploració espacial. Els militars utilitzen cèl·lules solars III-V en avions no tripulats i els investigadors els exploren altres usos en els quals l’alta eficiència és clau.
FOTOVOLTAICS DE CONCENTRACIÓ
La concentració fotovoltaica, també coneguda com CPV, enfoca la llum solar a una cèl·lula solar mitjançant un mirall o una lent. En focalitzar la llum solar sobre una àrea petita, es necessita menys material fotovoltaic. Els materials fotovoltaics es tornen més eficients a mesura que la llum es concentra, de manera que s’obtenen les eficiències globals més altes amb cèl·lules i mòduls de CPV. No obstant això, es requereixen materials més cars, tècniques de fabricació i capacitat per rastrejar el moviment del sol, de manera que demostrar l'avantatge de cost necessari respecte als mòduls de silici d'alt volum&# 39 s'ha convertit en un repte.
