Atualmente, existem muitos grupos de pesquisa ativos no campo da energia fotovoltaica em universidades e instituições de pesquisa em todo o mundo. Esta pesquisa pode ser categorizada em três áreas: tornar as células solares de tecnologia atual mais baratas e / ou mais eficientes para competir efetivamente com outras fontes de energia; desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em novos projetos arquitetônicos de células solares; e desenvolvimento de novos materiais para servir como conversores de energia mais eficientes, desde a energia da luz até a corrente elétrica ou absorvedores de luz e transportadores de carga.

Processamento de silício
Uma maneira de reduzir o custo é desenvolver métodos mais baratos de obtenção de silício que seja suficientemente puro. O silício é um elemento muito comum, mas normalmente é ligado em sílica ou areia de sílica. Processar sílica (SiO2) para produzir silício é um processo muito alto de energia – nas eficiências atuais, leva de um a dois anos para uma célula solar convencional gerar tanta energia quanto foi usada para fazer o silício que ela contém. Métodos mais eficientes de síntese de energia não são apenas benéficos para a indústria solar, mas também para as indústrias que envolvem a tecnologia de silício como um todo.

A produção industrial atual de silício é através da reação entre carbono (carvão vegetal) e sílica a uma temperatura em torno de 1700 ° C. Neste processo, conhecido como redução carbotérmica, cada tonelada de silício (grau metalúrgico, cerca de 98% puro) é produzida com a emissão de cerca de 1,5 toneladas de dióxido de carbono.

A sílica sólida pode ser convertida diretamente (reduzida) em silício puro por eletrólise em um banho de sal fundido a uma temperatura razoavelmente amena (800 a 900 ° C). Embora este novo processo seja em princípio o mesmo do FFC Cambridge Process que foi descoberto pela primeira vez no final de 1996, a descoberta laboratorial interessante é que tal silicone eletrolítico está na forma de silício poroso que se transforma prontamente em um pó fino, com um tamanho de partícula. de alguns micrômetros, e pode, portanto, oferecer novas oportunidades para o desenvolvimento de tecnologias de células solares.

Outra abordagem também é reduzir a quantidade de silício usada e, portanto, o custo, ao micromachinar as bolachas em camadas muito finas e virtualmente transparentes que poderiam ser usadas como coberturas arquitetônicas transparentes. A técnica envolve a obtenção de uma bolacha de silício, tipicamente de 1 a 2 mm de espessura, e a produção de uma multiplicidade de fatias transversais paralelas ao longo da bolacha, criando um grande número de mechas que têm uma espessura de 50 micrômetros e largura igual à espessura do bolacha original. Essas fatias são giradas 90 graus, de modo que as superfícies correspondentes às faces da bolacha original se tornem as bordas das fitas. O resultado é converter, por exemplo, uma bolacha de 150 mm de diâmetro e 2 mm de espessura com uma superfície exposta de silício de cerca de 175 cm2 por lado em cerca de 1000 fitas com dimensões de 100 mm x 2 mm x 0,1 mm, obtendo-se um total área de superfície de silício exposta de cerca de 2000 cm2 por lado. Como resultado desta rotação, a dopagem elétrica e os contatos que estavam na face da pastilha estão localizados nas bordas da fita, e não na frente e atrás, como no caso das células de wafer convencionais. Isso tem o efeito interessante de tornar a célula sensível a partir da frente e da parte traseira da célula (uma propriedade conhecida como bifaciality). Usando essa técnica, uma placa de silício é suficiente para construir um painel de 140 watts, em comparação com cerca de 60 placas necessárias para módulos convencionais da mesma potência.

Células solares nanocristalinas
Estas estruturas utilizam alguns dos mesmos materiais absorventes de luz de película fina, mas estão sobrepostas como um absorvedor extremamente fino numa matriz de suporte de polímero condutor ou óxido de metal mesoporoso tendo uma área superficial muito elevada para aumentar os reflexos internos (e assim aumentar a probabilidade de absorção de luz). O uso de nanocristais permite projetar arquiteturas na escala de comprimento de nanômetros, a duração típica da difusão do exciton. Em particular, dispositivos de nanocristais simples (‘channel’), uma matriz de junções p-n simples entre os eletrodos e separados por um período de aproximadamente um comprimento de difusão, representam uma nova arquitetura para células solares e potencialmente de alta eficiência.

Processamento de filmes finos
Células fotovoltaicas de filme fino podem usar menos de 1% da matéria-prima cara (silício ou outros absorvedores de luz) em comparação com as células solares baseadas em wafer, levando a uma queda de preço significativa por capacidade de pico de Watt. Existem muitos grupos de pesquisa em todo o mundo pesquisando ativamente diferentes abordagens e / ou materiais de filme fino.

Uma tecnologia particularmente promissora é a dos filmes finos de silício cristalino em substratos de vidro. Essa tecnologia combina as vantagens do silício cristalino como um material de células solares (abundância, não-toxicidade, alta eficiência, estabilidade de longo prazo) com a redução de custos do uso de uma abordagem de filme fino.

Outro aspecto interessante das células solares de película fina é a possibilidade de depositar as células em todos os tipos de materiais, incluindo substratos flexíveis (PET, por exemplo), o que abre uma nova dimensão para novas aplicações.

Célula solar multijunção metamórfica
Em dezembro de 2014, o recorde mundial de eficiência de células solares de 46% foi alcançado usando células solares com concentradores multi-junção, desenvolvidas a partir dos esforços de colaboração da Soitec, CEA-Leti, França, juntamente com Fraunhofer ISE, Alemanha.

O Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) ganhou um dos Prêmios R & D 100 da R & D Magazine por sua célula fotovoltaica Metamorphic Multijuntion, uma célula ultraleve e flexível que converte energia solar com eficiência recorde.

A célula solar ultraleve e altamente eficiente foi desenvolvida na NREL e está sendo comercializada pela Emcore Corp. de Albuquerque, N.M., em parceria com a Diretoria de Veículos Espaciais dos Laboratórios de Pesquisa da Força Aérea da Base Aérea de Kirtland, em Albuquerque.

Representa uma nova classe de células solares com claras vantagens em desempenho, projeto de engenharia, operação e custo. Durante décadas, as células convencionais apresentaram wafers de materiais semicondutores com estrutura cristalina semelhante. Seu desempenho e custo-benefício são limitados pelo crescimento das células em uma configuração vertical. Enquanto isso, as células são rígidas, pesadas e grossas com uma camada inferior feita de germânio.

No novo método, a célula é cultivada de cabeça para baixo. Essas camadas usam materiais de alta energia com cristais de altíssima qualidade, especialmente nas camadas superiores da célula, onde a maior parte da energia é produzida. Nem todas as camadas seguem o padrão de rede do mesmo espaçamento atômico. Em vez disso, a célula inclui uma gama completa de espaçamento atômico, o que permite uma maior absorção e uso da luz solar. A espessa e rígida camada de germânio é removida, reduzindo o custo da célula e 94% do seu peso. Ao transformar a abordagem convencional das células em sua cabeça, o resultado é uma célula ultra-leve e flexível que também converte energia solar com eficiência recorde (40,8% sob a concentração de 326 sóis).

Processamento de polímero
A invenção de polímeros condutores (para os quais Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid e Hideki Shirakawa receberam um prêmio Nobel) pode levar ao desenvolvimento de células muito mais baratas baseadas em plásticos baratos. No entanto, as células solares orgânicas geralmente sofrem degradação por exposição à luz UV e, portanto, têm vidas que são muito curtas para serem viáveis. As ligações nos polímeros, são sempre suscetíveis a quebrar quando irradiadas com comprimentos de onda mais curtos. Além disso, os sistemas de ligação dupla conjugada nos polímeros que transportam a carga reagem mais prontamente com luz e oxigênio. Assim, a maioria dos polímeros condutores, sendo altamente insaturados e reativos, é altamente sensível à umidade e à oxidação atmosférica, dificultando as aplicações comerciais.

Processamento de nanopartículas
Painéis solares não siliciosos experimentais podem ser feitos de heteroestruturas quânticas, p. nanotubos de carbono ou pontos quânticos, incorporados em polímeros condutores ou óxidos metálicos mesoporosos. Além disso, filmes finos de muitos desses materiais em células solares de silício convencionais podem aumentar a eficiência do acoplamento óptico na célula de silício, aumentando assim a eficiência geral. Variando o tamanho dos pontos quânticos, as células podem ser sintonizadas para absorver diferentes comprimentos de onda. Embora a pesquisa ainda esteja em sua infância, a energia fotovoltaica de ponto quântico modificado pode ser capaz de atingir até 42% de eficiência de conversão de energia devido à geração múltipla de excitons (MEG).

Pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de usar um vírus para melhorar a eficiência das células solares em um terço.

Condutores transparentes
Muitas novas células solares usam filmes finos transparentes que também são condutores de carga elétrica. Os filmes finos condutores dominantes usados ​​na pesquisa atualmente são óxidos condutores transparentes (abreviados como “TCO”) e incluem óxido de estanho dopado com flúor (SnO2: F, ou “FTO”), óxido de zinco dopado (ex .: ZnO: Al) e óxido de estanho índio (abreviado “ITO”). Esses filmes condutores também são usados ​​na indústria de LCD para monitores de tela plana. A função dupla de um TCO permite que a luz passe através de uma janela de substrato para o material ativo de absorção de luz abaixo, e também serve como um contato ôhmico para transportar os portadores de carga fotogerados para longe daquele material que absorve luz. Os atuais materiais de TCO são eficazes para pesquisa, mas talvez ainda não sejam otimizados para produção fotovoltaica em grande escala. Elas exigem condições de deposição muito especiais em alto vácuo, podem às vezes sofrer de baixa resistência mecânica, e a maioria tem baixa transmissão na porção infravermelha do espectro (por exemplo: filmes finos ITO também podem ser usados ​​como filtros infravermelhos nas janelas do avião). Esses fatores tornam a fabricação em larga escala mais cara.

Uma área relativamente nova surgiu usando redes de nanotubos de carbono como um condutor transparente para células solares orgânicas. As redes de nanotubos são flexíveis e podem ser depositadas em superfícies de várias maneiras. Com algum tratamento, os filmes de nanotubos podem ser altamente transparentes no infravermelho, possibilitando, possivelmente, células solares eficientes de baixo band-gap. As redes de nanotubos são condutores do tipo p, enquanto os condutores transparentes tradicionais são exclusivamente do tipo n. A disponibilidade de um condutor transparente tipo p pode levar a novos projetos de células que simplificam a fabricação e melhoram a eficiência.

Células solares baseadas em wafer de silício
Apesar das inúmeras tentativas de produzir células solares melhores usando materiais novos e exóticos, a realidade é que o mercado fotovoltaico ainda é dominado por células solares à base de wafer de silício (células solares de primeira geração). Isso significa que a maioria dos fabricantes de células solares está atualmente equipada para produzir esse tipo de célula solar. Consequentemente, um grande número de pesquisas está sendo feito em todo o mundo para fabricar células solares à base de wafer de silício a um custo menor e aumentar as eficiências de conversão sem um aumento exorbitante no custo de produção. O objetivo final dos conceitos fotovoltaicos alternativos e baseados em wafer é produzir eletricidade solar a um custo comparável ao carvão atualmente dominante no mercado, gás natural e energia nuclear, a fim de torná-la a principal fonte de energia primária. Para conseguir isso, pode ser necessário reduzir o custo dos sistemas solares instalados de, atualmente, cerca de US $ 1,80 (para tecnologias de Si a granel) para cerca de US $ 0,50 por watt de potência de pico. Como grande parte do custo final de um módulo tradicional de silício a granel está relacionado ao alto custo da matéria prima de polissilício (cerca de US $ 0,4 / Watt), existe um esforço substancial para tornar as células solares Si mais finas (economia de material) ou para fazer células solares de silício metalúrgico atualizado mais barato (o chamado “Si sujo”).

A IBM possui um processo de recuperação de wafer de semicondutores que usa uma técnica de remoção de padrão especializada para realocar wafers de semicondutores de sucata para uma forma usada na fabricação de painéis solares baseados em silício. O novo processo recebeu recentemente o “Prêmio de Prevenção da Poluição Mais Valiosa de 2007” da Mesa Redonda Nacional de Prevenção da Poluição (NPPR).

Células solares infravermelhas
Pesquisadores do Idaho National Laboratory, juntamente com parceiros da Lightwave Power Inc. em Cambridge, Massachusetts, e Patrick Pinhero, da Universidade do Missouri, criaram uma maneira barata de produzir folhas de plástico contendo bilhões de nanoantenas que coletam energia gerada pelo sol e outros fontes, que ganhou dois prêmios Nano50 de 2007. A empresa deixou de operar em 2010. Embora os métodos para converter a energia em eletricidade utilizável ainda precisem ser desenvolvidos, as chapas poderiam um dia ser fabricadas como “peles” leves que alimentam tudo, de carros híbridos a computadores e iPods com maior eficiência do que a tradicional energia solar. células. As nanoantenas visam raios infravermelhos médios, que a Terra irradia continuamente como calor após absorver energia do sol durante o dia; também folhas de nanoantena de dupla face podem coletar energia de diferentes partes do espectro do Sol. Em contraste, as células solares tradicionais só podem usar a luz visível, tornando-as ociosas após o anoitecer.

Células solares UV
O Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada do Japão (AIST) conseguiu desenvolver uma célula solar transparente que usa luz ultravioleta (UV) para gerar eletricidade, mas permite que a luz visível passe através dela. A maioria das células solares convencionais usa luz visível e infravermelha para gerar eletricidade. Usada para substituir o vidro de janela convencional, a área da superfície de instalação pode ser grande, levando a usos potenciais que aproveitam as funções combinadas de geração de energia, iluminação e controle de temperatura.

Este sistema transparente de absorção de UV foi obtido usando uma heteroestrutura orgânica-inorgânica feita do polímero semicondutor do tipo p PEDOT: PSS depositado em um substrato de titanato de estrôncio dopado com Nb. PEDOT: O PSS é facilmente fabricado em filmes finos devido à sua estabilidade no ar e sua solubilidade em água. Essas células solares são ativadas somente na região UV e resultam em um rendimento quântico relativamente alto de 16% elétron / fóton. O trabalho futuro nesta tecnologia envolve a substituição do substrato de titanato de estrôncio por um filme de titanato de estrôncio depositado em um substrato de vidro, a fim de obter uma fabricação de grande porte e baixo custo.

Desde então, outros métodos foram descobertos para incluir os comprimentos de onda UV na geração de energia por células solares. Algumas empresas relatam o uso de nanofosforos como um revestimento transparente para transformar a luz UV em luz visível. Outros relataram estender a faixa de absorção de células fotovoltaicas de junção única dopando um semicondutor transparente de gap de banda larga como o GaN com um metal de transição como o manganês.

Pesquisa de células solares flexíveis
A pesquisa com células solares flexíveis é uma tecnologia de nível de pesquisa, um exemplo do que foi criado no Massachusetts Institute of Technology, no qual as células solares são fabricadas por meio do depósito de material fotovoltaico em substratos flexíveis, como papel comum, usando a tecnologia de deposição de vapor químico. A tecnologia para fabricação de células solares em papel foi desenvolvida por um grupo de pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology, com o apoio da National Science Foundation e do Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Program.

Células solares 3D
Células solares tridimensionais que capturam quase toda a luz que as atinge e podem aumentar a eficiência dos sistemas fotovoltaicos, reduzindo seu tamanho, peso e complexidade mecânica. As novas células solares 3D, criadas no Georgia Tech Research Institute, capturam fótons da luz do sol usando uma série de estruturas em “torre” em miniatura que se assemelham a prédios altos em uma grade da cidade. A Solar3D, Inc. planeja comercializar essas células 3D, mas sua tecnologia está atualmente com patente pendente.

Concentrador solar luminescente
Os concentradores solares luminescentes convertem a luz solar ou outras fontes de luz em freqüências preferidas; eles concentram a saída para conversão em formas desejáveis ​​de energia, como eletricidade. Eles dependem de luminescência, tipicamente fluorescência, em meios como líquidos, vidros ou plásticos tratados com um revestimento ou dopante adequado. As estruturas são configuradas para direcionar a saída de uma grande área de entrada para um pequeno conversor, onde a energia concentrada gera fotoeletricidade. O objetivo é coletar luz em uma área grande a baixo custo; Os painéis concentradores luminescentes podem ser feitos a baixo custo a partir de materiais como vidros ou plásticos, enquanto as células fotovoltaicas são dispositivos de alta precisão e alta tecnologia e, portanto, caros de serem construídos em tamanhos grandes.

A pesquisa está em andamento em universidades como a Radboud University Nijmegen e a Universidade de Tecnologia de Delft. Por exemplo, no Massachusetts Institute of Technology, pesquisadores desenvolveram abordagens para a conversão de janelas em concentradores de luz solar para geração de eletricidade. Eles pintam uma mistura de corantes em um painel de vidro ou plástico. Os corantes absorvem a luz do sol e reemitem-na como fluorescência dentro do vidro, onde ela é confinada pela reflexão interna, emergindo nas bordas do vidro, onde ela encontra as células solares otimizadas para a conversão de luz solar concentrada. O fator de concentração é de cerca de 40, e o projeto óptico produz um concentrador solar que, ao contrário dos concentradores à base de lentes, não precisa ser direcionado com precisão ao sol e pode produzir a saída mesmo da luz difusa. A Covalent Solar está trabalhando na comercialização do processo.

Metamateriais
Metamateriais são materiais heterogêneos que empregam a justaposição de muitos elementos microscópicos, dando origem a propriedades não vistas em sólidos comuns. Usando estes, pode ser possível modelar células solares que são excelentes absorvedores em uma faixa estreita de comprimentos de onda. Alta absorção no regime de microondas tem sido demonstrada, mas ainda não no regime de comprimento de onda de 300-1100 nm.

Híbrido térmico fotovoltaico
Alguns sistemas combinam energia fotovoltaica com energia solar térmica, com a vantagem de que a parte solar térmica retém o calor e resfria as células fotovoltaicas. Manter a temperatura baixa reduz a resistência e melhora a eficiência da célula.

Fotovoltaica à base de penta
A energia fotovoltaica baseada em pentaceno é reivindicada para melhorar a relação de eficiência energética em até 95%, efetivamente dobrando a eficiência das técnicas mais eficientes da atualidade.

Banda intermediária
A fotovoltaica de banda intermediária na pesquisa com células solares fornece métodos para exceder o limite Shockley-Queisser na eficiência de uma célula. Introduz um nível de energia de banda intermediária (IB) entre as bandas de valência e condução. Teoricamente, a introdução de um IB permite que dois fótons tenham energia menor que o bandgap para excitar um elétron da banda de valência para a banda de condução. Isso aumenta a fotocorrente induzida e, portanto, a eficiência.

Luque e Marti derivaram primeiro um limite teórico para um dispositivo IB com um nível de energia intermediário usando um balanço detalhado. Eles assumiram que nenhum portador foi coletado no IB e que o dispositivo estava em plena concentração. Eles descobriram que a eficiência máxima é de 63,2%, para um intervalo de 1,95 eV com o IB 0,71eV da banda de valência ou de condução. Sob uma iluminação solar, a eficiência limite é de 47%.