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/ful 

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>