Negli ultimi anni sono state state proposti e sviluppati diversi tipi di celle fotovoltaiche di nuova generazione. Lo scopo e' quello di incrementare l'efficienza piuttosto bassa delle celle fotovoltaiche tradizionali al silicone (attorno al 15-20 %), cercando allo stesso tempo di ridurre i costi di produzione. [E4]
[F3]
L'impiego di sottili strati di particolari materiali (Thin-film solar cells)
[E5]
[S1]
permette, infatti, di ridurre o addirittura eliminare la presenza del cristallo di silicio, la cui lavorazione costituiva uno dei fattori che rendevano economicamente meno appetibile il fotovoltaico per l'impiego su larga scala.
Alcune tecnologie studiate cercano di risolvere il problema della naturale intermittenza e variabilita' della fonte solare.
Questo nuovo tipo di celle viene chiamato di terza generazione: quelle a silicone erano la prima e quelle a strati sottili ma ad alto costo la seconda. Cio' che le ha rese possibili e' stata la nanotecnologia: gli strati applicati alle celle e le strutture utilizzate variano, infatti, in un range compreso tra pochi nanometri a qualche decina di micron.
A seconda dei materiali e tecniche utilizzate, i principali modelli sono i seguenti:
1) Celle CdTe al Cadmio-Tellurio
E' il tipo di cella fotovoltaica attualmente piu' prodotta e diffusa nel mondo, il primo modello che abbia superato la vecchia cella a silicio per diffusione. Il principale produttore al mondo e' la compagnia First Solar, che nell'anno 2008 ha raggiunto mezzo gigawatt di energia elettrica. I due limiti principali sono offerti dal relativo basso rendimento (16-20%) e dall'impiego in larga quantita' della materia prima Tellurio: per un gigawatt di energia sono infatti necessarie 90 milioni di tonnellate di tellurio, elemento ottenuto oggi dallo scarto dell'estrazione di altri metalli (oro, rame, piombo) ma non troppo abbondante in natura. Studi sulla possibilita' di reperirlo nei fondali oceanici e sui costi relativi sono in corso.
2) Celle CIGS (copper indium gallium selenide) al Rame Indio Gallio Selenio
Due composti misti di Rame Indio e Selenio e Rame Gallio e Selenio vengono usati come assorbitori di luce per celle solari a film sottili. L'efficienza piu' alta ottenuta fino a dicembre 2005 e' stata del 19.5%: in generale inferiore di quelle al cristallo di silicio (25%) ma si ritiene che siano piu' economiche. La critica principale che viene portata su tale tecnica concerne proprio la relativa bassa efficienza.
3) Nanocristalli
Sembra uno dei modelli piu' promettenti, sia per quanto riguarda l'efficienza (65 %), sia per i bassi costi, l'impatto ambientale e la flessibilita' meccanica. Quest'ultimo punto si riferisce alla possibilita' di sviluppare dei polimeri adattabili a tessuti, vestiario e ricoprimenti in generale per ogni tipo di superficie.
[E5] [F4]
Sono anche dette celle ai quantum dots per via della tecnologia ai nanocristalli utilizzata: i quantum dots sono una sorta di trappola quantistica che costringe le particelle in una regione piuttosto piccola, cosi' come i quantum wires o wells sono l'equivalente uni e bidimensionale.
Prove recenti sono state condotte con semiconduttori al piombo selenio (PbSe) e al cadmio-tellurio(CdTe), che non sonoo pero' tra i candidati ideali da un punto di vista ambientale per la loro tossicita'.
4) Celle solari alle vernici sensibili (Dye-sensitized solar cell: DSSC)
Si tratta di una classe di celle solari a basso costo sempre del tipo thin-film: e' un semiconduttore formato da un fotodiodo (un anodo fotosensibile) e un liquido elettrolitico, un sistema fotoelettrochimico. Viene anche chiamata cella Grätzel dal nome di uno dei suoi inventori dell' École Polytechnique Fédérale di Lausanna, nel 1991 (l'altro e' Brian O'Regan). [F5]
[F6]
E' molto promettente perche' sia le materie prime che la produzione sono a basso costo.
Un vantaggio pratico delle celle a film sottili e' che la robustezza meccanica fa aumentare l'efficienza con la temperatura. Con l'aumento di quest'ultima qualche elettrone viene portato meccanicamente nella banda di conduzione. La fragilita' delle celle tradizionali al silicio richiede che queste vengano protette da involucri metallici, i quali pero' fanno diminuire l'efficienza quando le celle si surriscaldano all'interno di suddetti involucri. Le DSSC vengono costurite con rivestimenti plastici che permettono di irradiare il caloro e di operare a temperature interne piu' basse.
Lo svantaggio principale consiste nell'uso del liquido elettrolitico che ha problemi di stabilita' termica: a basse temperature puo' congelare, annullando la produzione di corrente e causando potenziali danni alla struttura. Le alte temperature, d'altra parte, fanno espandere il liquido causando comunque danni ai pannelli.
Inoltre, il liquido contiene dei solventi che possono permeare la plastica.
Attualmente si stanno studiando dei sostituti solidi per il liquido elettrolitico.
5) Polymer solar cell
Le celle solari ai polimeri (o celle solari plastiche) [E6]
sono un esempio di fotovoltaico organico, nel quale non ci sono giunzioni fra semiconduttori, ne' presenza di silicio ma catene di molecole che donano o accettano elettroni. Studi vengono eseguiti per permettere l'abbassamento della frequenza di soglia all'infrarosso, diminuendo la dispersione dell'energia sotto forma di calore. La commerciabilita' di questo modello e' appena agli inizi, anche perche' il rendimento e' molto piu' basso rispetto agli altri tipi.
6) Bioimitatori
I bioimitatori (biomimicry) sono ancora solo al livello di ricerca [E7]
: in pratica si studiano materiali organici, polimeri complessi e nuove nanostrutture capaci di imitare il processo naturale delle piante nella fotosintesi clorofilliana. Piu' in generale, questo approccio viene chiamato elettronica organica.
