Solarne ćelije su vrsta fotoelektričnog elementa koji može pretvarati energiju. Njihova osnovna struktura nastala je kombinacijom poluvodiča P-tipa i N-tipa. Najosnovniji materijal poluvodiča je "silicij", koji nije vodljiv. Međutim, ako se poluvodičima dodaju različite nečistoće, mogu se izraditi poluvodiči P-tipa i N-tipa. Tada se razlika potencijala između poluvodiča P-tipa s rupom (poluvodiču P-tipa nedostaje negativno nabijen elektron, što se može smatrati dodatnim pozitivnim nabojem) i poluvodiča N-tipa s dodatnim slobodnim elektronom koristi za generirati struju. Stoga, kada sunčeva svjetlost sija, svjetlosna energija pobuđuje elektrone u atomima silicija i proizvodi konvekciju elektrona i rupa. Na ove elektrone i rupe utječe ugrađeni potencijal, a privlače ih poluvodiči N-tipa i P-tipa, te se skupljaju na oba kraja. U ovom trenutku, ako je vanjska strana spojena s elektrodama u obliku strujnog kruga, to je princip proizvodnje energije solarnih ćelija.
Solarne ćelije se mogu podijeliti u dvije kategorije prema njihovom kristalnom stanju: kristalni tip tankog filma i nekristalni tip tankog filma (u daljnjem tekstu a-), a prvi se dalje dijeli na monokristalni tip i polikristalni tip.
Prema materijalu, mogu se podijeliti na silicijev tanki film, složeni poluvodički tanki film i organski sloj, a složeni poluvodički tanki film dalje se dijele na nekristalni tip (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H itd.), IIIV skupina (GaAs, InP itd.), IIVI skupina (Cds serija) i cink fosfid (Zn3p2) itd.
Prema različitim materijalima koji se koriste, solarne ćelije također se mogu podijeliti na: silicijske solarne ćelije, višeslojne solarne ćelije s tankim filmom, solarne ćelije s polimernim višeslojnim modificiranim elektrodama, nanokristalne solarne ćelije, organske solarne ćelije, plastične solarne ćelije, među kojima su i silikonske solarne ćelije. stanice su najzrelije i dominiraju u primjenama.
1. Silicijske solarne ćelije
Silikonske solarne ćelije dijele se u tri vrste: monokristalne silicijeve solarne ćelije, polikristalne silicijeve tankoslojne solarne ćelije i amorfne silicijeve tankoslojne solarne ćelije.
(1) Solarne ćelije od monokristala silicija imaju najveću učinkovitost pretvorbe i najzreliju tehnologiju. Najveća učinkovitost pretvorbe u laboratoriju je 24,7%, a učinkovitost u velikoj proizvodnji 15% (od 2011. godine iznosi 18%). Još uvijek zauzima dominantan položaj u velikim primjenama i industrijskoj proizvodnji, ali zbog visoke cijene monokristalnog silicija, teško je značajno smanjiti njegovu cijenu. Kako bi se uštedjeli silicijski materijali, tanki film polikristalnog silicija i tanki film amorfnog silicija razvijeni su kao alternativa solarnim ćelijama monokristalnog silicija.
(2) U usporedbi s monokristalnim silicijem, tankoslojne solarne ćelije polikristalnog silicija jeftinije su i učinkovitije od tankoslojnih ćelija amorfnog silicija. Njegova najveća laboratorijska učinkovitost pretvorbe je 18%, a učinkovitost pretvorbe industrijske proizvodnje je 10% (od 2011. godine iznosi 17%). Stoga će tankoslojne ćelije od polikristalnog silicija uskoro zauzeti dominantan položaj na tržištu solarnih ćelija.
(3) Tankoslojne solarne ćelije od amorfnog silicija niske su cijene i male težine, s visokom učinkovitošću pretvorbe, jednostavne za masovnu proizvodnju i imaju veliki potencijal. Međutim, zbog efekta opadanja fotoelektrične učinkovitosti uzrokovanog njegovim materijalom, njegova stabilnost nije visoka, što izravno utječe na njegovu praktičnu primjenu. Ako se problem stabilnosti može dodatno riješiti i problem stope pretvorbe može se poboljšati, tada će solarne ćelije od amorfnog silicija nedvojbeno biti jedan od glavnih razvojnih proizvoda solarnih ćelija.
2. Kristalne tankoslojne solarne ćelije
Polikristalne tankoslojne ćelije Polikristalne tankoslojne ćelije od kadmij sulfida i kadmij telurida učinkovitije su od tankoslojnih solarnih ćelija od amorfnog silicija, jeftinije su od monokristalnih silicijskih ćelija i lako ih je masovno proizvesti. Međutim, kadmij je vrlo toksičan i uzrokovat će ozbiljno onečišćenje okoliša. Stoga nije najidealnija alternativa solarnim ćelijama od kristalnog silicija.
Učinkovitost pretvorbe spojenih ćelija galijevog arsenida (GaAs) III-V može doseći 28%. GaAs složeni materijali imaju vrlo idealan optički zazor i visoku učinkovitost apsorpcije, jaku otpornost na zračenje i neosjetljivi su na toplinu. Prikladni su za proizvodnju visokoučinkovitih ćelija s jednim spojem. Međutim, cijena GaAs materijala je visoka, što uvelike ograničava popularnost GaAs ćelija.
Tankoslojne ćelije bakrenog indijevog selenida (skraćeno CIS) prikladne su za fotoelektričnu pretvorbu, nemaju problema sa svjetlom izazvane degradacije i imaju istu učinkovitost pretvorbe kao polikristalni silicij. Uz prednosti niske cijene, dobrih performansi i jednostavnog procesa, postat će važan smjer za razvoj solarnih ćelija u budućnosti. Jedini problem je izvor materijala. Budući da su indij i selen relativno rijetki elementi, razvoj ove vrste baterija neizbježno je ograničen.
3. Organske polimerne solarne ćelije
Zamjena anorganskih materijala organskim polimerima je novorazvijeni smjer istraživanja za proizvodnju solarnih ćelija. Zbog prednosti dobre fleksibilnosti, jednostavne proizvodnje, širokih izvora materijala i niske cijene organskih materijala, od velikog je značaja za masovno korištenje sunčeve energije i osiguranje jeftine električne energije. Međutim, istraživanja pripreme solarnih ćelija s organskim materijalima tek su započela. Može li se razviti u proizvod od praktičnog značaja ostaje za daljnje proučavanje i istraživanje.
4. Nanokristalne solarne ćelije
Nanokristalne solarne ćelije su novorazvijene. Njihove prednosti su niska cijena, jednostavan postupak i stabilna izvedba. Njihova fotoelektrična učinkovitost stabilna je na više od 10%, a trošak proizvodnje je samo 1/5 do 1/10 troška silicijevih solarnih ćelija. Životni vijek može doseći više od 20 godina. Istraživanje i razvoj takvih baterija tek je započelo, a one će postupno ulaziti na tržište u bliskoj budućnosti.