Les cèl·lules solars són un tipus d'element fotoelèctric que pot convertir energia. La seva estructura bàsica es forma mitjançant la combinació de semiconductors de tipus P i de tipus N. El material més bàsic dels semiconductors és el "silici", que no és conductor. Tanmateix, si s'afegeixen diferents impureses als semiconductors, es poden fer semiconductors de tipus P i de tipus N. Aleshores, la diferència de potencial entre el semiconductor de tipus P amb un forat (el semiconductor de tipus P no té un electró carregat negativament, que es pot considerar com una càrrega positiva addicional) i el semiconductor de tipus N amb un electró lliure addicional s'utilitza per generar corrent. Per tant, quan la llum del sol brilla, l'energia lluminosa excita els electrons dels àtoms de silici i produeix la convecció d'electrons i forats. Aquests electrons i forats es veuen afectats pel potencial incorporat i són atrets pels semiconductors de tipus N i tipus P, respectivament, i s'agrupen als dos extrems. En aquest moment, si l'exterior està connectat amb elèctrodes per formar un circuit, aquest és el principi de generació d'energia de cèl·lules solars.
Les cèl·lules solars es poden dividir en dues categories segons el seu estat cristal·lí: tipus de pel·lícula prima cristal·lina i tipus de pel·lícula prima no cristal·lina (d'ara endavant denominada a-), i la primera es divideix en tipus monocristal·lí i tipus policristalí.
Segons el material, es poden dividir en tipus de pel·lícula prima de silici, tipus de pel·lícula prima de semiconductor compost i tipus de pel·lícula orgànica, i el tipus de pel·lícula prima de semiconductor compost es divideix encara més en tipus no cristal·lí (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H, etc.), grup IIIV (GaAs, InP, etc.), grup IIVI (sèrie Cds) i fosfur de zinc (Zn3p2), etc.
Segons els diferents materials utilitzats, les cèl·lules solars també es poden dividir en: cèl·lules solars de silici, cèl·lules solars de pel·lícula fina multicomposta, cèl·lules solars d'elèctrodes modificades multicapa de polímers, cèl·lules solars nanocristal·lines, cèl·lules solars orgàniques, cèl·lules solars de plàstic, entre les quals els solars de silici. les cèl·lules són les més madures i dominen en les aplicacions.
1. Cèl·lules solars de silici
Les cèl·lules solars de silici es divideixen en tres tipus: cèl·lules solars de silici d'un sol cristall, cèl·lules solars de pel·lícula fina de silici policristalí i cèl·lules solars de pel·lícula fina de silici amorf.
(1) Les cèl·lules solars de silici d'un sol cristall tenen la major eficiència de conversió i la tecnologia més madura. L'eficiència de conversió més alta al laboratori és del 24,7% i l'eficiència en la producció a gran escala és del 15% (a partir del 2011, és del 18%). Encara ocupa una posició dominant en aplicacions a gran escala i producció industrial, però a causa de l'alt cost del silici monocristal·lí, és difícil reduir-ne significativament. Per tal d'estalviar materials de silici, la pel·lícula fina de silici policristalí i la pel·lícula fina de silici amorf s'han desenvolupat com a alternatives a les cèl·lules solars de silici monocristal·lí.
(2) En comparació amb el silici monocristal·lí, les cèl·lules solars de pel·lícula fina de silici policristalí són més barates i eficients que les cèl·lules de pel·lícula prima de silici amorf. La seva eficiència de conversió de laboratori més alta és del 18% i l'eficiència de conversió de la producció a escala industrial és del 10% (a partir del 2011, és del 17%). Per tant, les cèl·lules de pel·lícula fina de silici policristalí ocuparan aviat una posició dominant al mercat de les cèl·lules solars.
(3) Les cèl·lules solars de pel·lícula fina de silici amorf tenen un cost baix i un pes lleuger, amb una alta eficiència de conversió, fàcils de produir en massa i tenen un gran potencial. Tanmateix, a causa de l'efecte de decadència de l'eficiència fotoelèctrica causat pel seu material, la seva estabilitat no és elevada, cosa que afecta directament la seva aplicació pràctica. Si es pot resoldre encara més el problema d'estabilitat i es pot millorar el problema de la taxa de conversió, les cèl·lules solars de silici amorf seran, sens dubte, un dels principals productes de desenvolupament de les cèl·lules solars.
2. Cèl·lules solars cristal·lines de pel·lícula fina
Cèl·lules de pel·lícula fina policristalina Les cèl·lules de pel·lícula fina policristalina de sulfur de cadmi i telurur de cadmi són més eficients que les cèl·lules solars de pel·lícula fina de silici amorf, més barates que les cèl·lules de silici monocristal·lí i fàcils de produir en massa. No obstant això, el cadmi és altament tòxic i provocarà una greu contaminació ambiental. Per tant, no és l'alternativa més ideal a les cèl·lules solars de silici cristal·lí.
L'eficiència de conversió de les cèl·lules compostes d'arsenur de gal·li (GaAs) III-V pot arribar al 28%. Els materials compostos de GaAs tenen una banda òptica molt ideal i una alta eficiència d'absorció, una forta resistència a la radiació i són insensibles a la calor. Són adequats per a la fabricació de cèl·lules d'unió única d'alta eficiència. Tanmateix, el preu dels materials GaAs és elevat, cosa que limita molt la popularitat de les cèl·lules GaAs.
Les cèl·lules de pel·lícula fina de seleniur d'indi de coure (CIS per abreujar) són adequades per a la conversió fotoelèctrica, no tenen el problema de la degradació induïda per la llum i tenen la mateixa eficiència de conversió que el silici policristalí. Amb els avantatges de baix preu, bon rendiment i procés senzill, es convertirà en una direcció important per al desenvolupament de cèl·lules solars en el futur. L'únic problema és la font del material. Com que l'indi i el seleni són elements relativament rars, el desenvolupament d'aquest tipus de bateries és inevitablement limitat.
3. Cèl·lules solars de polímer orgànic
La substitució de materials inorgànics per polímers orgànics és una direcció de recerca recentment desenvolupada per a la fabricació de cèl·lules solars. A causa dels avantatges d'una bona flexibilitat, fàcil producció, àmplies fonts de materials i baix cost dels materials orgànics, és de gran importància per a l'ús a gran escala de l'energia solar i el subministrament d'electricitat barata. Tanmateix, la investigació sobre la preparació de cèl·lules solars amb materials orgànics acaba de començar. Queda per estudiar i explorar més si es pot convertir en un producte amb importància pràctica.
4. Cèl·lules solars nanocristal·lines
Les cèl·lules solars nanocristal·lines s'han desenvolupat recentment. Els seus avantatges són el seu baix cost, procés senzill i rendiment estable. La seva eficiència fotoelèctrica és estable en més del 10% i el cost de producció és només d'1/5 a 1/10 del de les cèl·lules solars de silici. La vida útil pot arribar als 20 anys. La investigació i el desenvolupament d'aquestes bateries acaba de començar i entraran gradualment al mercat en un futur proper.