Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
 
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 ...
FISHER2 
 
Figure 1 (4) 
The electron energy transferred between the two plates occurs from electron 
hole­pairs, which in...
FISHER3 
design options, as well as future applications so that the general public may be informed 
and knowledgeable. 
Pr...
FISHER4 
therefore it is important to keep efficiency in mind when debating construction materials. 
A comparison of these...
FISHER5 
Next, dye sensitive cells. These cells operate using a semiconductor like before, 
however only one semiconductor...
FISHER6 
Figure 6 (16)  
There are also photovoltaic cells known as multijunction cells. One of the main 
limitations of t...
FISHER7 
Figures 7 & 8 (17) 
 
Now that there is a foundational understanding of photovoltaic cell 
semiconductors and cel...
FISHER8 
comparing the costs of the cells and their operations in comparison to the cost of 
current methods of energy. If...
FISHER9 
photovoltaic power plant cost is rather costly, however the lack of fuel costs and the low 
operating costs allow...
FISHER10 
being entirely absorbed. This path can be simplified and shortened by etching the 
surfaces on a nanoscale (22)....
FISHER11 
photovoltaic cells increases, the popularity of crystalline silicon will be replaced by the 
multijunction cells...
FISHER12 
Citations 
1.  "Solar Panel Sponsorship." ​Buckie Thistle Football Club​. 8 Aug. 2015. Web. 25 
Nov. 2015. <http...
FISHER13 
14.Green, Martin A, Keith Emery, Yoshihiro Hishikawa, and Ewan
Dunlop.​Progress in Photovoltaics​. 45th ed. Acce...
FISHER14 
24.http://www.aps.org/meetings/multimedia/upload/High_Efficiency_Multijunction_S
olar_Cells_for_Large_Scale_Sola...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Sammi-414M-WA3

113 views

Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Sammi-414M-WA3

  1. 1.   Samantha Fisher  414 M  Fall 2015        (1)      The Bright Future of Photovoltaic Cells                 
  2. 2. 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).  
  3. 3. 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 
  4. 4. 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 
  5. 5. 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)   
  6. 6. 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.   
  7. 7. 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.             
  8. 8. 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
  9. 9. 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 
  10. 10. 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 
  11. 11. 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 
  12. 12. 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)                                   
  13. 13. 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 
  14. 14. 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 
  15. 15. 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>   

×