Solarne ćelije su vrsta fotoelektričnog elementa koji može pretvarati energiju. Njihova osnovna struktura formirana je kombinacijom poluvodiča P-tipa i N-tipa. Najosnovniji materijal poluprovodnika je "silicijum", koji nije provodljiv. Međutim, ako se poluvodičima dodaju različite nečistoće, mogu se napraviti poluvodiči tipa P i N. Zatim, razlika potencijala između poluprovodnika P-tipa s rupom (poluprovodniku P-tipa nedostaje negativno nabijen elektron, što se može smatrati dodatnim pozitivnim nabojem) i N-tipa poluvodiča s dodatnim slobodnim elektronom se koristi za generisati struju. Stoga, kada sunčeva svjetlost sija, svjetlosna energija pobuđuje elektrone u atomima silicija i proizvodi konvekciju elektrona i rupa. Na ove elektrone i rupe utiče ugrađeni potencijal i privlače ih poluvodiči N-tipa i P-tipa, i okupljaju se na oba kraja. U ovom trenutku, ako je vanjska strana povezana s elektrodama kako bi se formiralo kolo, to je princip proizvodnje energije solarnih ćelija.
Solarne ćelije se mogu podijeliti u dvije kategorije prema njihovom kristalnom stanju: tip kristalnog tankog filma i nekristalni tip tankog filma (u daljem tekstu a-), a prvi se dalje dijeli na tip monokristalnog i polikristalnog tipa.
Prema materijalu, mogu se podijeliti na tip tankog filma silikona, tip tankog sloja poluvodiča i tip organskog filma, a tip tankog filma složenog poluvodiča dalje se dijeli na nekristalni tip (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H, itd.), IIIV grupa (GaAs, InP, itd.), IIVI grupa (Cds serija) i cink fosfid (Zn3p2) itd.
Prema različitim korištenim materijalima, solarne ćelije se također mogu podijeliti na: silikonske solarne ćelije, višeslojne tankoslojne solarne ćelije, polimerne višeslojne modificirane elektrodne solarne ćelije, nanokristalne solarne ćelije, organske solarne ćelije, plastične solarne ćelije, među kojima i silicijum solarne ćelije ćelije su najzrelije i dominiraju u aplikacijama.
1. Silicijumske solarne ćelije
Silicijumske solarne ćelije su podeljene u tri tipa: monokristalne silicijumske solarne ćelije, polikristalne silicijumske tankoslojne solarne ćelije i amorfne silicijumske tankoslojne solarne ćelije.
(1) Monokristalne silicijumske solarne ćelije imaju najveću efikasnost konverzije i najzreliju tehnologiju. Najveća efikasnost konverzije u laboratoriji je 24,7%, a efikasnost u velikoj proizvodnji je 15% (od 2011. godine iznosi 18%). Još uvijek zauzima dominantnu poziciju u primjeni velikih razmjera i industrijskoj proizvodnji, ali zbog visoke cijene monokristalnog silicija, teško je značajno smanjiti njegovu cijenu. Kako bi se uštedjeli silicijumski materijali, polikristalni silicijum tanki film i tanki film amorfnog silicija razvijeni su kao alternative monokristalnim silicijumskim solarnim ćelijama.
(2) U poređenju sa monokristalnim silicijumom, tankoslojne solarne ćelije od polikristalnog silicijuma su jeftinije i efikasnije od ćelija tankog filma amorfnog silicija. Njegova najveća laboratorijska efikasnost konverzije je 18%, a efikasnost konverzije industrijske proizvodnje je 10% (od 2011. godine iznosi 17%). Stoga će ćelije tankog filma polikristalnog silicija uskoro zauzeti dominantnu poziciju na tržištu solarnih ćelija.
(3) Solarne ćelije sa tankim filmom od amorfnog silikona su niske cijene i male težine, s visokom efikasnošću konverzije, lake za masovnu proizvodnju i imaju veliki potencijal. Međutim, zbog efekta raspada fotoelektrične efikasnosti uzrokovanog njegovim materijalom, njegova stabilnost nije visoka, što direktno utiče na njegovu praktičnu primjenu. Ako se problem stabilnosti može dalje riješiti i problem stope konverzije može poboljšati, tada će amorfne silikonske solarne ćelije nesumnjivo biti jedan od glavnih razvojnih proizvoda solarnih ćelija.
2. Kristalne tankoslojne solarne ćelije
Polikristalne tankoslojne ćelije Kadmijum sulfid i kadmijum telurid Polikristalne tankoslojne ćelije su efikasnije od amorfnih silicijumskih tankoslojnih solarnih ćelija, jeftinije od monokristalnih silicijumskih ćelija i lake za masovnu proizvodnju. Međutim, kadmijum je veoma toksičan i može izazvati ozbiljno zagađenje životne sredine. Stoga, to nije najidealnija alternativa solarnim ćelijama od kristalnog silicija.
Efikasnost konverzije ćelija jedinjenja galijum arsenida (GaAs) III-V može dostići 28%. GaAs složeni materijali imaju vrlo idealan optički razmak i visoku efikasnost apsorpcije, jaku otpornost na zračenje i neosjetljivi su na toplinu. Pogodni su za proizvodnju visokoefikasnih jednospojnih ćelija. Međutim, cijena GaAs materijala je visoka, što uvelike ograničava popularnost GaAs ćelija.
Ćelije tankog filma bakra indijum selenida (skraćeno CIS) su pogodne za fotoelektričnu konverziju, nemaju problem degradacije izazvane svetlom i imaju istu efikasnost konverzije kao polikristalni silicijum. 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 indijum i selen relativno retki elementi, razvoj ove vrste baterija je neizbežno ograničen.
3. Solarne ćelije organskog polimera
Zamjena neorganskih materijala organskim polimerima je novorazvijeni istraživački pravac 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 obezbjeđivanje jeftine električne energije. Međutim, tek su počela istraživanja o pripremi solarnih ćelija sa organskim materijalima. Ostaje da se dalje proučava i istraži da li se može razviti u proizvod od praktičnog značaja.
4. Nanokristalne solarne ćelije
Nanokristalne solarne ćelije su novorazvijene. Njihove prednosti su niska cijena, jednostavan proces i stabilne performanse. Njihova fotoelektrična efikasnost je stabilna na više od 10%, a proizvodni trošak je samo 1/5 do 1/10 od silicijumskih solarnih ćelija. Životni vijek može doseći više od 20 godina. Istraživanje i razvoj ovakvih baterija je tek započelo, a u bliskoj budućnosti postepeno će ući na tržište.