SlideShare una empresa de Scribd logo
1 de 15
Descargar para leer sin conexión
 
Samantha Fisher 
414 M 
Fall 2015 
 
 
 
(1) 
 
 
The Bright Future of Photovoltaic Cells 
 
 
 
 
 
 
 
 
FISHER1 
Explosions and large bubble letters are what first catches the viewer’s eye as 
they scroll down their news feed on Facebook and other similar sites. The “Solar 
Roadways” video is gaining recognition and views exponentially as it is shared to pages 
and emails, an unusual topic to receive such a large following on social media, but is it 
really that unusual? For years we as a people have recognized our dependency on 
fossil fuels and the ever pressing knowledge that they’re running out, so it comes as no 
surprise that we have supplied many efforts and much funding to the advancement of 
efficiency in the storage and energy generation processes as well as alternate sources 
of energy. ​For years we as a people have recognized our dependency on fossil fuels, and the ever 
pressing knowledge that they’re running out. As a result, we have supplied much funding and focused 
research on the advancement of the storage and energy generation processes.​ Some energy 
generation alternatives being explored include wind power plants, solar energy, and 
nuclear power, however are facing many difficulties in integration into mainstream. High 
operation and repair costs are at the top of our list for these obstacles.​ ​Therefore in 
order to improve these technologies’ we have focused a large amount of our time and 
resources on their construction and efficiency. 
One renewable energy source in recent years has pressed ahead of the pack 
and received significant backing by the masses, solar energy, because of its efficiency, 
unlimited power supply, and lack of harmful emissions. These reasons make it 
environmentally friendly in our modern environment and health conscious society. 
They’re also supported by the scientific community because of their material 
components that are consistently being researched and are creating many new 
opportunities. ​ ​This combined interest in solar energy allows for fast development and 
research into this newer undeveloped field. 
Solar energy is most commonly applied in the form of solar cells that are 
traditionally composed of an anti­reflective coating, emitter, base, and rear contact all of 
which is connected to an external circuit. The cell itself is a circuit, with the emitter as 
the negatively charged plate and the rear contact as the positive plate (4).  
FISHER2 
 
Figure 1 (4) 
The electron energy transferred between the two plates occurs from electron 
hole­pairs, which in lay terms means having the electron move between the valence 
band energy and the conduction band energy levels. The electrons gain the energy to 
move states from the light, or photons, they’re exposed to. This energy is then sent 
through the circuit and collected on the connected external circuit. (4) 
The cell can be made out of a number of different materials and​ ​multiple designs. 
For example, the semiconducting material can be one of the many forms of silicon 
wafers, which are the most commonly used, cadmium telluride, and copper indium 
gallium diselenide (2).  Because solar cell construction has so many options , a plaguing 
issue of this alternative energy’s market penetration is rooted in the inability to decide 
on the best cost and large­scale production efficient method​.​ It is because this 
technology is on the brink of becoming integrated into everyday society that this 
literature review focuses on the history of the technology, the many materials and 
FISHER3 
design options, as well as future applications so that the general public may be informed 
and knowledgeable. 
Previously discussed was how, generally, a solar cell operates and collects 
energy from the photons emitted from the sun, and from that explanation it is easy to 
deduce the importance of choosing the correct materials for each part. In this particular 
examination the focus will be on the emitter and base materials. The emitter and base 
parts are very similar in their comparisons to semiconductors and their ability to carry a 
current. Semiconductors, as their name suggests, are materials with an electrical 
conductivity that lies between that of an insulator and conductor. 
Figure 2 
(5) 
It also has a full upper level of electron energy levels and narrow band gap, which is the 
distance between the upper and lower level electron energy levels. The narrower the 
band gap of of a semiconductor the easier it is for electrons to move from the upper to 
the lower electron energy levels, and visa versa (6). The easier the electron movement 
is, the easier it is for excited electrons to break the covalent bonds in the material which 
allows for more electron movement, or electrical current conduction (7,8). With this 
knowledge one can see that the band gap size can play a significant role in how 
efficient the solar cells operate. Alongside the importance of the band gap size is the 
efficiency of the semiconductors, especially in the cases of large solar panels, and 
FISHER4 
therefore it is important to keep efficiency in mind when debating construction materials. 
A comparison of these band gap sizes and relative efficiency is included in Figure 2. 
Figure 3 
Material  silicon wafers 
(crystalline) 
Gallium Arsenide  
(crystalline) 
Copper Indium Gallium 
Diselenide (Cell) 
Cadmium Telluride 
Band Gap  1.12 eV (9)  1.42 eV (10)  1.68 eV (11)  1.5 eV (12) 
Efficiency 
(13) 
25.6 ± 0.5%  18.4 ± 0.5%  20.5 ± 0.6%  19.6 ± 0.4% 
 
Another major aspect that may contribute significantly to the efficiency, cost, & 
choice of material is the physical design of the systems. Discussed above was the most 
common form of photovoltaic cells, composed of two semiconductor layers creating 
electron hole pairs to create an electrical current. This type of semiconductor is called a 
crystalline silicon cell and, as it sounds, is composed of two silicon parts that are 
oppositely charged. Usually the top piece is negatively doped, meaning it is given 
excess electrons to create a negative charge, while the other side is positively doped, 
has an excess of holes resulting in an overall positive charge. This set up is used to 
create an electric field within the cell that moves the electrons once they get excited by 
the photon light energy (4).  
Figure 4 (3) 
 
FISHER5 
Next, dye sensitive cells. These cells operate using a semiconductor like before, 
however only one semiconductor is used. Here, the semiconductor material is coated 
with a light sensitive dye that separates it from an electrolyte. The process begins with 
the light photons exciting the electrons in the semiconductor, then those electrons move 
through the material and through the circuit. They are then reintroduced into the 
electrolyte that surrounds the semiconductor. The electron is then transferred through 
the electrolyte and reunited with the dye where the process begins again (14). An 
illustration of the process can be seen below in Figure 5 (15). 
Figure 4 (15)  
 
Alternatively there are the thin film cells. These cells differ from the crystalline 
silicon cells in their size and materials. In these cells, the semiconductor is composed of 
thinly layered materials, such as those discussed above, which allow sheets of this type 
of cell to be flexible. This also gives the added benefit of being more cost efficient 
because the thin layers use a smaller amount of each material than traditional cells. 
These thin film cells can utilize the methods of crystalline silicon cells with varying 
materials or use the dye sensitive cells discussed above (16). An example of a thin film 
photovoltaic cell can be seen below. 
 
FISHER6 
Figure 6 (16)  
There are also photovoltaic cells known as multijunction cells. One of the main 
limitations of the traditional crystalline silicon and thin film photovoltaic cells is that their 
absorbance only uses photons of energy equal to or greater than that of the band gap. 
Here we can apply the equation of  
 
 
where E represents the energy, h is Planck's constant, c is the speed of light, and 
lambda is the wavelength of the photons being collected. With this equation you can 
see that only a specific set of wavelengths will equate to the energy of the band gap, the 
smaller the wavelength the larger the amount of energy. To allow more photons to be 
collected the wavelength spectrum needs to be expanded, which can be accomplished 
by including more materials with varying band gap sizes. In a multijunction cell multiple 
semiconductor materials are stacked on top of each other in descending band gap order 
(17). This approach allows for a much broader spectrum of wavelengths to be utilized. 
Below are diagram examples to visually explain this process. 
 
 
 
 
 
 
FISHER7 
Figures 7 & 8 (17) 
 
Now that there is a foundational understanding of photovoltaic cell 
semiconductors and cell design, what situations and scenarios depict which set to use​? 
In some cases the design is limited to certain types of materials as was briefly described 
earlier, in other cases it's the environment and cost that decides what shape the cell will 
take. 
In regards to environment, the temperature of the operating cell can dramatically 
affect its efficiency. As is generally known, the warmer the environment, the more 
atoms/electrons move or vibrate within a substance. The increased mobility of these 
atoms and electrons allow for a greater electric current to occur within the device. 
Hence, certain cell designs have optimal temperature environments that allow them to 
operate at their greatest efficiency potential based on the electron mobility of the design. 
A comparison of the devices discussed at  can be found in Figure 8. 
The major factor preventing the integration of this technology into the majority 
consumer market is the cost of photovoltaic cells. Most individuals won’t invest in an 
expensive conversion or set up of a new system when they have an alternative system 
in place, the question becomes though, will installing at a high price this renewable 
energy source out value the savings that can be currently accrued through not 
converting? The answer for that question can be determined in a general sense by
FISHER8 
comparing the costs of the cells and their operations in comparison to the cost of 
current methods of energy. If the price comparison of these two shows that long term 
renewable energies such as photovoltaics is more cost efficient then it is advantageous 
for businesses to convert over for monetary value, public relations (as environmental 
preservation is a current focus in today’s society) as well as for environmental reasons. 
Below is a graph of known and projected cost of kilowatt per hour trends of 
photovoltaics compared to nuclear power 
Figure 9 (18) Figure 10 (19) 
.  
 
The reason for the price decline of photovoltaics is due to the increased 
availability and operation costs. As with any product, the more common it becomes the 
cheaper it becomes, a general rule of supply and demand. Also, as the supply of 
photovoltaic systems increases, so will the research in developing alternative, cutting 
edge systems driven by the competitive market. Also, it is recognized that the initial 
FISHER9 
photovoltaic power plant cost is rather costly, however the lack of fuel costs and the low 
operating costs allow these plants to begin to pay for themselves as seen in the below 
comparison of capital investment and operating costs. 
Figure 11 (20)  
 
The photovoltaic projections bring with them the question of how will photovoltaic 
technology transform going forward. Currently there are many different designs and 
alterations being researched. To start, there is focus on making the photovoltaic cells 
more efficient  
by expanding the spectrums they can accept. One possible solution is down 
conversion which splits photons with energy greater than that of the band gap into 
energies that perfectly align with the band gap. The desire for this arises because when 
some photons with energies greater than the band gap match up with and electron hole 
pair, the energy difference is lost as heat. Another possible solution in up conversion 
which does the exact opposite. It combines photons with less than the band gap energy 
until they align. Lastly there is photoluminescence, which fixes the issues arising in 
inefficient collection of photons near the edges of the wavelength spectrum by shifting 
these energies farther into the spectrum (21). Another method of improving the 
photovoltaic technology is making the photon absorption process more efficient. 
Currently a photon follows a path of multiple reflections within the semiconductor before 
FISHER10 
being entirely absorbed. This path can be simplified and shortened by etching the 
surfaces on a nanoscale (22). Lastly, the matter of cost can be addressed to affect the 
current barrier that photovoltaics has to the general market. One possible solution to 
curbing this cost is vacuum processing which produces pure uniform materials with the 
added ability of producing these in complex multilayer organizations which may be 
applied to the multijunction devices discussed earlier. In addition there is the process of 
wet processing which utilizes the capabilities of microscale printing of these materials 
into the desired system and comes with the added benefit of being relatively cost 
efficient in it’s production (23). 
Although the process of converting light to usable energy is similar across all 
materials and designs, it is clear that the prospective environment determines and costs 
dictate the type of photovoltaic cell used. The advancement of this technology is 
progressing forward at increasing rates as the technology improves in its methods of 
collecting the maximum amount of energy from a given light source and as it develops a 
competitive market for itself. As society evolves and focuses on renewable energy sources 
to satisfy our energy needs​,​ it is clear the vast effect that this technology will have can be 
measured by the current research focus on improving this technology. The question 
becomes then, will crystalline silicon photovoltaics remain our main source of solar cell or 
will it be replaced by one of the more recently developed designs? I think that the answer to 
this question lies in the increasing efficiency of the cells. All the cells have been modified to 
accomplish more energy conversion per surface area, however it’s been noted that the 
multijunction cells have pushed ahead of the pack since their development in efficiency 
standards (24). This is an addition to the cost of production of the multijunction vs the 
crystalline silicon difference backs the favorable aspects of the shift. The cost of the 
materials included in multijunction production usually include gallium and indium. The cost 
of gallium is significantly lower than the price of silicon, and indium is slightly more costly, 
yet these two materials are used in significantly lesser amounts than the whole of silicon 
which depending on design could result in a cheaper build (25). The increased efficiency 
and possibility of cheaper production lends the idea that in coming years, as the use of 
FISHER11 
photovoltaic cells increases, the popularity of crystalline silicon will be replaced by the 
multijunction cells. Regardless the future of photovoltaics is going to pervade the energy 
world and has a bright future, in both prosperity and literal light absorption. 
Figure 12 (24) Figure 13 (25) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FISHER12 
Citations 
1.  "Solar Panel Sponsorship." ​Buckie Thistle Football Club​. 8 Aug. 2015. Web. 25 
Nov. 2015. <http://buckiethistle.org/solar­panel­sponsorship/>.  
2. Pukhrem, Shivananda. "How Solar Cells Work ­­ Components & Operation Of 
Solar Cells." Solar Love. 13 May 2013. Web. 3 Oct. 2015. 
<​http://solarlove.org/how­solar­cells­work­components­operation­of­solar­cells/​>. 
3. "Photovoltaics." 1 June 2011. Print. ​http://www.nrel.gov/docs/fy11osti/51882.pdf 
4. "School of Engineering STI." ​The Incredible Properties of Molybdenite​. Web. 25
Nov. 2015. <http://sti.epfl.ch/page-61514-en.html>. 
5. 312 class notes 
6. Çimen, Serkan. ​SOLAR CELL MATERIALS​. Boğaziçi University, 2005. Web. 25
Nov. 2015. <http://www.mslab.boun.edu.tr/SolarCells.pdf>. 
7. Richter, Christoph, Daniel Lincot, and Christian A Gueyman. Solar Energy. New 
York: Springer, 2013. Print. 
8. "About Silicon." ​What Is Silicon? Silicon Wafer Properties and Information​. Web.
25 Nov. 2015. <http://www.novawafers.com/resources-about-silicon.html>. 
9. "Band Structure and Carrier Concentration of Gallium Arsenide (GaAs)."​Band
Structure and Carrier Concentration of Gallium Arsenide (GaAs)​. Web. 25 Nov.
2015. 
10."Copper Indium Gallium Diselenide." ​Copper Indium Gallium Diselenide​. Web.
25 Nov. 2015.
<http://energy.gov/eere/sunshot/copper-indium-gallium-diselenide>. 
11." ." ​Research at the IEC – Cadmium Telluride (CdTe)​. Web. 25 Nov. 2015.
<http://www.udel.edu/iec/iecReseachCdte.html>. 
12.http://onlinelibrary.wiley.com.ezaccess.libraries.psu.edu/doi/10.1002/pip.2525/fu​l 
13.https://nationalvetcontent.edu.au/alfresco/d/d/workspace/SpacesStore/f3d90138­
e7ed­41ce­8346­4d6756d0d52a/ims/content_sections/learn_about/08_solar_pag
e_007.htm 
FISHER13 
14.Green, Martin A, Keith Emery, Yoshihiro Hishikawa, and Ewan
Dunlop.​Progress in Photovoltaics​. 45th ed. Accelerated Publications, 2014. 1-9.
Print. 
15."Synthesis and Characterization of Nanoparticles for Dye-sensitized Solar
Cells (DSSCs)." ​Lehrstuhl Für Feststoff- Und Grenzflächenverfahrenstechnik:
Startseite​. Web. 25 Nov. 2015.
<http://www.lfg.uni-erlangen.de/forschung/RMarczak/index_en.shtml>. 
16."Thin Film Solar Cell." ​Electronic Circuits and DiagramElectronics Projects and
Design​. Web. 25 Nov. 2015.
<http://www.circuitstoday.com/thin-film-solar-cell>. 
17."How Do Photovoltaics Work?" ​- NASA Science​. Web. 25 Nov. 2015.
<http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2002/solarcells/>. 
18.http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.2573/pdf 
19."Menu." ​Solar Photovoltaic Costs Comments​. Web. 26 Nov. 2015.
<https://sites.lafayette.edu/egrs352-sp14-pv/economics/costs/>. 
20."Electric Generating Costs: A Primer - IER." ​IER​. 22 Aug. 2012. Web. 26 Nov.
2015.
<http://instituteforenergyresearch.org/analysis/electric-generating-costs-a-pr
imer/>. 
21."WebAccess." ​Penn State Secure Login:​. Web. 26 Nov. 2015.
<http://www.sciencedirect.com.ezaccess.libraries.psu.edu/science/article/pii/
S0927024806003679?np=y>. 
22.Web. 26 Nov. 2015.
<http://ac.els-cdn.com.ezaccess.libraries.psu.edu/S0301421508004552/1-s2.0
-S0301421508004552-main.pdf?_tid=a987a500-9241-11e5-a7f2-00000aab0f6
b&acdnat=1448324822_2bb3307ac8e4c05eb255e3e2d687777b> 
23.http://pubs.rsc.org.ezaccess.libraries.psu.edu/en/content/articlepdf/2009/ee/b812
502n 
FISHER14 
24.http://www.aps.org/meetings/multimedia/upload/High_Efficiency_Multijunction_S
olar_Cells_for_Large_Scale_Solar_Electricity_Generation_Kurtz.pdf 
25."Energy & Environmental Science." ​Development of Plasmonic Semiconductor
Nanomaterials with Copper Chalcogenides for a Future with Sustainable Energy
Materials - (RSC Publishing)​. Web. 26 Nov. 2015.
<http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/ee/c1ee02734d#!divAbst
ract> 
 

Más contenido relacionado

Similar a Sammi-414M-WA3

Lost at sea? Charting wave energy’s difficult innovation journey towards comm...
Lost at sea? Charting wave energy’s difficult innovation journey towards comm...Lost at sea? Charting wave energy’s difficult innovation journey towards comm...
Lost at sea? Charting wave energy’s difficult innovation journey towards comm...Matthew Hannon
 
Ecopalooza Project Plan by Rah-Miel Mitchell
Ecopalooza Project Plan by Rah-Miel MitchellEcopalooza Project Plan by Rah-Miel Mitchell
Ecopalooza Project Plan by Rah-Miel Mitchellrahmielmitchell
 
20160615 EI Energy Systems final
20160615 EI Energy Systems final20160615 EI Energy Systems final
20160615 EI Energy Systems finalMatthew Hannon
 
What Are The Main Downsides To Solar Energy?
What Are The Main Downsides To Solar Energy?What Are The Main Downsides To Solar Energy?
What Are The Main Downsides To Solar Energy?woodwriter
 
Energy innovation es8928 - renewable energy policy handbook -final m covi
Energy innovation  es8928 - renewable energy policy handbook -final m coviEnergy innovation  es8928 - renewable energy policy handbook -final m covi
Energy innovation es8928 - renewable energy policy handbook -final m coviMarco Covi
 
The anthropocene by fotis and zoe
The anthropocene by fotis and zoeThe anthropocene by fotis and zoe
The anthropocene by fotis and zoeddertili
 
Spring 2015 JP Dolphin Final Capstone Project Submission
Spring 2015 JP Dolphin Final Capstone Project SubmissionSpring 2015 JP Dolphin Final Capstone Project Submission
Spring 2015 JP Dolphin Final Capstone Project SubmissionJohn-Peter (JP) Dolphin
 
1. W5F1Respond to two students.Question   Take a m.docx
1. W5F1Respond to two students.Question   Take a m.docx1. W5F1Respond to two students.Question   Take a m.docx
1. W5F1Respond to two students.Question   Take a m.docxchristiandean12115
 
Navigating High-Interest Rates in the US - The Bright Future of Solar Power.pptx
Navigating High-Interest Rates in the US - The Bright Future of Solar Power.pptxNavigating High-Interest Rates in the US - The Bright Future of Solar Power.pptx
Navigating High-Interest Rates in the US - The Bright Future of Solar Power.pptxSaraKurian3
 
Business Plan : PhotonWorks
Business Plan : PhotonWorksBusiness Plan : PhotonWorks
Business Plan : PhotonWorksKritika Phulli
 
Business Plan : PhotonWorks
Business Plan : PhotonWorksBusiness Plan : PhotonWorks
Business Plan : PhotonWorksNidhi Chauhan
 
Fabulous Fossil Fuels
Fabulous Fossil FuelsFabulous Fossil Fuels
Fabulous Fossil FuelsSally
 
Columbia University &amp; Gaia HCC Green Economy Leadership Conference
Columbia University &amp; Gaia HCC Green Economy Leadership ConferenceColumbia University &amp; Gaia HCC Green Economy Leadership Conference
Columbia University &amp; Gaia HCC Green Economy Leadership ConferenceDawnDzurilla
 
Research Methodology Assigment 2
Research Methodology Assigment 2Research Methodology Assigment 2
Research Methodology Assigment 2Mahmoud M. Ali
 

Similar a Sammi-414M-WA3 (20)

Lost at sea? Charting wave energy’s difficult innovation journey towards comm...
Lost at sea? Charting wave energy’s difficult innovation journey towards comm...Lost at sea? Charting wave energy’s difficult innovation journey towards comm...
Lost at sea? Charting wave energy’s difficult innovation journey towards comm...
 
Winter 2010 GIM
Winter 2010 GIMWinter 2010 GIM
Winter 2010 GIM
 
Ecopalooza Project Plan by Rah-Miel Mitchell
Ecopalooza Project Plan by Rah-Miel MitchellEcopalooza Project Plan by Rah-Miel Mitchell
Ecopalooza Project Plan by Rah-Miel Mitchell
 
20160615 EI Energy Systems final
20160615 EI Energy Systems final20160615 EI Energy Systems final
20160615 EI Energy Systems final
 
What Are The Main Downsides To Solar Energy?
What Are The Main Downsides To Solar Energy?What Are The Main Downsides To Solar Energy?
What Are The Main Downsides To Solar Energy?
 
Energy innovation es8928 - renewable energy policy handbook -final m covi
Energy innovation  es8928 - renewable energy policy handbook -final m coviEnergy innovation  es8928 - renewable energy policy handbook -final m covi
Energy innovation es8928 - renewable energy policy handbook -final m covi
 
The anthropocene by fotis and zoe
The anthropocene by fotis and zoeThe anthropocene by fotis and zoe
The anthropocene by fotis and zoe
 
EY - Let's Talk Sustainability Issue 4
EY - Let's Talk Sustainability Issue 4EY - Let's Talk Sustainability Issue 4
EY - Let's Talk Sustainability Issue 4
 
Spring 2015 JP Dolphin Final Capstone Project Submission
Spring 2015 JP Dolphin Final Capstone Project SubmissionSpring 2015 JP Dolphin Final Capstone Project Submission
Spring 2015 JP Dolphin Final Capstone Project Submission
 
1. W5F1Respond to two students.Question   Take a m.docx
1. W5F1Respond to two students.Question   Take a m.docx1. W5F1Respond to two students.Question   Take a m.docx
1. W5F1Respond to two students.Question   Take a m.docx
 
Navigating High-Interest Rates in the US - The Bright Future of Solar Power.pptx
Navigating High-Interest Rates in the US - The Bright Future of Solar Power.pptxNavigating High-Interest Rates in the US - The Bright Future of Solar Power.pptx
Navigating High-Interest Rates in the US - The Bright Future of Solar Power.pptx
 
PhotonWorks Business Plan
PhotonWorks Business PlanPhotonWorks Business Plan
PhotonWorks Business Plan
 
Business Plan : PhotonWorks
Business Plan : PhotonWorksBusiness Plan : PhotonWorks
Business Plan : PhotonWorks
 
Business Plan : PhotonWorks
Business Plan : PhotonWorksBusiness Plan : PhotonWorks
Business Plan : PhotonWorks
 
Fabulous Fossil Fuels
Fabulous Fossil FuelsFabulous Fossil Fuels
Fabulous Fossil Fuels
 
yearbook-2014
yearbook-2014yearbook-2014
yearbook-2014
 
Columbia University &amp; Gaia HCC Green Economy Leadership Conference
Columbia University &amp; Gaia HCC Green Economy Leadership ConferenceColumbia University &amp; Gaia HCC Green Economy Leadership Conference
Columbia University &amp; Gaia HCC Green Economy Leadership Conference
 
Research Methodology Assigment 2
Research Methodology Assigment 2Research Methodology Assigment 2
Research Methodology Assigment 2
 
REACTION-PAPER.pdf
REACTION-PAPER.pdfREACTION-PAPER.pdf
REACTION-PAPER.pdf
 
STEMinars
STEMinarsSTEMinars
STEMinars
 

Sammi-414M-WA3