Celulele solare sunt un tip de element fotoelectric care poate converti energia. Structura lor de bază este formată prin combinarea semiconductorilor de tip P și de tip N. Cel mai elementar material al semiconductorilor este „siliciu”, care este neconductiv. Cu toate acestea, dacă se adaugă diferite impurități la semiconductori, se pot produce semiconductori de tip P și N. Apoi, diferența de potențial dintre semiconductorul de tip P cu o gaură (semiconductorul de tip P nu are un electron încărcat negativ, care poate fi privit ca o sarcină pozitivă suplimentară) și semiconductorul de tip N cu un electron liber suplimentar este utilizată pentru a genera curent. Prin urmare, atunci când lumina soarelui strălucește, energia luminii excită electronii din atomii de siliciu și produce convecția electronilor și a găurilor. Acești electroni și găuri sunt afectați de potențialul încorporat și sunt atrași de semiconductorii de tip N și, respectiv, de tip P și se adună la ambele capete. În acest moment, dacă exteriorul este conectat cu electrozi pentru a forma un circuit, acesta este principiul generării de energie a celulelor solare.
Celulele solare pot fi împărțite în două categorii în funcție de starea lor cristalină: tipul de film subțire cristalin și tipul de film subțire necristalin (denumit în continuare a-), iar primul este împărțit în continuare în tip monocristalin și tip policristalin.
În funcție de material, acestea pot fi împărțite în tip de film subțire de siliciu, tip de film subțire cu semiconductor compus și tip de peliculă organică, iar tipul de film subțire cu semiconductor compus este împărțit în continuare în tip necristalin (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H etc.), grupa IIIV (GaAs, InP etc.), grupa IIVI (seria Cds) și fosfură de zinc (Zn3p2), etc.
În funcție de diferitele materiale folosite, celulele solare mai pot fi împărțite în: celule solare cu siliciu, celule solare cu peliculă subțire multi-compuși, celule solare cu electrozi modificați multistrat polimer, celule solare nanocristaline, celule solare organice, celule solare din plastic, printre care solare cu siliciu celulele sunt cele mai mature și domină în aplicații.
1. Celule solare din siliciu
Celulele solare cu siliciu sunt împărțite în trei tipuri: celule solare cu siliciu monocristalin, celule solare cu film subțire din siliciu policristalin și celule solare cu film subțire din siliciu amorf.
(1) Celulele solare cu siliciu monocristal au cea mai mare eficiență de conversie și cea mai matură tehnologie. Cea mai mare eficiență de conversie în laborator este de 24,7%, iar eficiența în producția pe scară largă este de 15% (din 2011, este de 18%). Ocupă încă o poziție dominantă în aplicațiile pe scară largă și în producția industrială, dar din cauza costului ridicat al siliciului monocristalin, este dificil să se reducă semnificativ costul acestuia. Pentru a economisi materiale de siliciu, filmul subțire de siliciu policristalin și filmul subțire de siliciu amorf au fost dezvoltate ca alternative la celulele solare cu siliciu monocristalin.
(2) În comparație cu siliciul monocristalin, celulele solare cu film subțire din siliciu policristalin sunt mai ieftine și mai eficiente decât celulele cu film subțire din siliciu amorf. Cea mai mare eficiență de conversie a laboratorului este de 18%, iar eficiența de conversie a producției la scară industrială este de 10% (din 2011, este de 17%). Prin urmare, celulele cu film subțire de siliciu policristalin vor ocupa în curând o poziție dominantă pe piața celulelor solare.
(3) Celulele solare cu film subțire de siliciu amorf au costuri reduse și greutate redusă, cu eficiență ridicată de conversie, ușor de produs în masă și au un potențial mare. Cu toate acestea, datorită efectului de degradare a eficienței fotoelectrice cauzat de materialul său, stabilitatea acestuia nu este ridicată, ceea ce afectează direct aplicarea sa practică. Dacă problema stabilității poate fi rezolvată în continuare și problema ratei de conversie poate fi îmbunătățită, atunci celulele solare cu siliciu amorf vor fi, fără îndoială, unul dintre principalele produse de dezvoltare ale celulelor solare.
2. Celule solare cristaline cu film subțire
Celule cu peliculă subțire policristaline Celulele cu film subțire policristaline cu sulfură de cadmiu și telurura de cadmiu sunt mai eficiente decât celulele solare cu film subțire din siliciu amorf, mai ieftine decât celulele cu siliciu monocristalin și ușor de produs în masă. Cu toate acestea, cadmiul este foarte toxic și va provoca o poluare gravă a mediului. Prin urmare, nu este cea mai ideală alternativă la celulele solare cu siliciu cristalin.
Eficiența de conversie a celulelor compuse III-V de arseniură de galiu (GaAs) poate ajunge la 28%. Materialele compuse GaAs au o bandă optică foarte ideală și o eficiență ridicată de absorbție, o rezistență puternică la radiații și sunt insensibile la căldură. Sunt potrivite pentru fabricarea celulelor cu o singură joncțiune de înaltă eficiență. Cu toate acestea, prețul materialelor GaAs este ridicat, ceea ce limitează foarte mult popularitatea celulelor GaAs.
Celulele cu film subțire de seleniră de indiu de cupru (CIS pe scurt) sunt potrivite pentru conversia fotoelectrică, nu au problema degradării induse de lumină și au aceeași eficiență de conversie ca siliciul policristalin. Cu avantajele prețului scăzut, performanței bune și procesului simplu, va deveni o direcție importantă pentru dezvoltarea celulelor solare în viitor. Singura problemă este sursa materialului. Deoarece indiul și seleniul sunt elemente relativ rare, dezvoltarea acestui tip de baterie este inevitabil limitată.
3. Celule solare cu polimer organic
Înlocuirea materialelor anorganice cu polimeri organici este o direcție de cercetare nou dezvoltată pentru fabricarea celulelor solare. Datorită avantajelor unei bune flexibilități, a producției ușoare, a surselor de materiale largi și a costului scăzut al materialelor organice, este de mare importanță pentru utilizarea pe scară largă a energiei solare și furnizarea de energie electrică ieftină. Cu toate acestea, cercetările privind pregătirea celulelor solare cu materiale organice tocmai au început. Dacă poate fi dezvoltat într-un produs cu semnificație practică, rămâne de studiat și explorat în continuare.
4. Celule solare nanocristaline
Celulele solare nanocristaline sunt nou dezvoltate. Avantajele lor sunt costul redus, procesul simplu și performanța stabilă. Eficiența lor fotoelectrică este stabilă la peste 10%, iar costul de producție este de doar 1/5 până la 1/10 din cel al celulelor solare cu siliciu. Durata de viață poate ajunge la mai mult de 20 de ani. Cercetarea și dezvoltarea unor astfel de baterii tocmai a început și vor intra treptat pe piață în viitorul apropiat.