Τα ηλιακά κύτταρα είναι ένας τύπος φωτοηλεκτρικού στοιχείου που μπορεί να μετατρέψει ενέργεια. Η βασική τους δομή σχηματίζεται με το συνδυασμό ημιαγωγών τύπου P και τύπου N. Το βασικότερο υλικό των ημιαγωγών είναι το «πυρίτιο», το οποίο είναι μη αγώγιμο. Ωστόσο, εάν προστεθούν διαφορετικές ακαθαρσίες στους ημιαγωγούς, μπορούν να κατασκευαστούν ημιαγωγοί τύπου Ρ και τύπου Ν. Στη συνέχεια, η διαφορά δυναμικού μεταξύ του ημιαγωγού τύπου P με οπή (ο ημιαγωγός τύπου P στερείται αρνητικά φορτισμένου ηλεκτρονίου, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως πρόσθετο θετικό φορτίο) και του ημιαγωγού τύπου Ν με επιπλέον ελεύθερο ηλεκτρόνιο χρησιμοποιείται για παράγουν ρεύμα. Επομένως, όταν το ηλιακό φως λάμπει, η φωτεινή ενέργεια διεγείρει τα ηλεκτρόνια στα άτομα του πυριτίου και παράγει μεταφορά ηλεκτρονίων και οπών. Αυτά τα ηλεκτρόνια και οι οπές επηρεάζονται από το ενσωματωμένο δυναμικό και έλκονται από τους ημιαγωγούς τύπου Ν και τύπου P αντίστοιχα και συγκεντρώνονται και στα δύο άκρα. Αυτή τη στιγμή, εάν το εξωτερικό συνδέεται με ηλεκτρόδια για να σχηματιστεί ένα κύκλωμα, αυτή είναι η αρχή της παραγωγής ενέργειας από ηλιακές κυψέλες.
Τα ηλιακά κύτταρα μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με την κρυσταλλική τους κατάσταση: κρυσταλλικός τύπος λεπτής μεμβράνης και μη κρυσταλλικός τύπος λεπτής μεμβράνης (εφεξής α-), και ο πρώτος χωρίζεται περαιτέρω σε τύπο μονοκρυστάλλου και πολυκρυσταλλικό τύπο.
Σύμφωνα με το υλικό, μπορούν να χωριστούν σε τύπο λεπτής μεμβράνης πυριτίου, σύνθετο τύπο λεπτής μεμβράνης ημιαγωγού και τύπο οργανικής μεμβράνης και τύπο σύνθετου ημιαγωγού λεπτής μεμβράνης διαιρείται περαιτέρω σε μη κρυσταλλικό τύπο (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H, κ.λπ.), ομάδα IIIV (GaAs, InP, κ.λπ.), ομάδα IIVI (σειρά Cds) και φωσφίδιο ψευδάργυρου (Zn3p2), κ.λπ.
Σύμφωνα με τα διαφορετικά υλικά που χρησιμοποιούνται, τα ηλιακά κύτταρα μπορούν επίσης να χωριστούν σε: ηλιακά κύτταρα πυριτίου, ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης πολλαπλών ενώσεων, ηλιακά κύτταρα πολυμερούς τροποποιημένου ηλεκτροδίου πολλαπλών στρώσεων, νανοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα, οργανικά ηλιακά κύτταρα, πλαστικά ηλιακά κύτταρα, μεταξύ των οποίων ηλιακά με πυρίτιο Τα κύτταρα είναι τα πιο ώριμα και κυριαρχούν στις εφαρμογές.
1. Ηλιακά κύτταρα πυριτίου
Τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου χωρίζονται σε τρεις τύπους: ηλιακά κύτταρα μονοκρυστάλλου πυριτίου, ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης πολυκρυσταλλικού πυριτίου και ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης άμορφου πυριτίου.
(1) Τα ηλιακά κύτταρα μονοκρυσταλλικού πυριτίου έχουν την υψηλότερη απόδοση μετατροπής και την πιο ώριμη τεχνολογία. Η υψηλότερη απόδοση μετατροπής στο εργαστήριο είναι 24,7%, και η απόδοση σε μεγάλης κλίμακας παραγωγή είναι 15% (από το 2011, είναι 18%). Εξακολουθεί να κατέχει δεσπόζουσα θέση σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας και βιομηχανική παραγωγή, αλλά λόγω του υψηλού κόστους του μονοκρυσταλλικού πυριτίου, είναι δύσκολο να μειωθεί σημαντικά το κόστος του. Προκειμένου να εξοικονομηθούν υλικά πυριτίου, το λεπτό φιλμ πολυκρυσταλλικού πυριτίου και το λεπτό φιλμ άμορφου πυριτίου έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτικές λύσεις αντί των ηλιακών κυψελών μονοκρυσταλλικού πυριτίου.
(2) Σε σύγκριση με το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, τα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης πολυκρυσταλλικού πυριτίου είναι φθηνότερα και πιο αποτελεσματικά από τα κύτταρα λεπτής μεμβράνης άμορφου πυριτίου. Η υψηλότερη εργαστηριακή απόδοση μετατροπής είναι 18%, και η απόδοση μετατροπής της παραγωγής σε βιομηχανική κλίμακα είναι 10% (από το 2011, είναι 17%). Επομένως, οι κυψέλες λεπτής μεμβράνης πολυκρυσταλλικού πυριτίου θα καταλάβουν σύντομα δεσπόζουσα θέση στην αγορά των ηλιακών κυττάρων.
(3) Οι ηλιακές κυψέλες λεπτής μεμβράνης άμορφου πυριτίου είναι χαμηλού κόστους και ελαφρού βάρους, με υψηλή απόδοση μετατροπής, είναι εύκολο να παραχθούν μαζικά και έχουν μεγάλες δυνατότητες. Ωστόσο, λόγω του φαινομένου αποσύνθεσης της φωτοηλεκτρικής απόδοσης που προκαλείται από το υλικό του, η σταθερότητά του δεν είναι υψηλή, γεγονός που επηρεάζει άμεσα την πρακτική εφαρμογή του. Εάν το πρόβλημα σταθερότητας μπορεί να λυθεί περαιτέρω και το πρόβλημα του ρυθμού μετατροπής μπορεί να βελτιωθεί, τότε τα ηλιακά κύτταρα άμορφου πυριτίου θα είναι αναμφίβολα ένα από τα κύρια προϊόντα ανάπτυξης των ηλιακών κυψελών.
2. Κρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης
Κυψέλες πολυκρυσταλλικής λεπτής μεμβράνης Θειούχου καδμίου και τελλουριδίου καδμίου Οι κυψέλες πολυκρυσταλλικής λεπτής μεμβράνης είναι πιο αποτελεσματικές από τις ηλιακές κυψέλες λεπτής μεμβράνης άμορφου πυριτίου, φθηνότερες από τις κυψέλες μονοκρυσταλλικού πυριτίου και είναι εύκολο να παραχθούν μαζικά. Ωστόσο, το κάδμιο είναι εξαιρετικά τοξικό και θα προκαλέσει σοβαρή περιβαλλοντική ρύπανση. Επομένως, δεν είναι η πιο ιδανική εναλλακτική λύση στα ηλιακά κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου.
Η αποτελεσματικότητα μετατροπής των σύνθετων κυττάρων του αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs) III-V μπορεί να φτάσει το 28%. Τα σύνθετα υλικά GaAs έχουν ένα πολύ ιδανικό διάκενο οπτικής ζώνης και υψηλή απόδοση απορρόφησης, ισχυρή αντίσταση στην ακτινοβολία και δεν είναι ευαίσθητα στη θερμότητα. Είναι κατάλληλα για την κατασκευή κυψελών μονής σύνδεσης υψηλής απόδοσης. Ωστόσο, η τιμή των υλικών GaAs είναι υψηλή, γεγονός που περιορίζει σημαντικά τη δημοτικότητα των κυττάρων GaAs.
Οι κυψέλες λεπτής μεμβράνης σεληνιούχου ινδίου χαλκού (CIS για συντομία) είναι κατάλληλες για φωτοηλεκτρική μετατροπή, δεν έχουν το πρόβλημα της αποικοδόμησης που προκαλείται από το φως και έχουν την ίδια απόδοση μετατροπής με το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. Με τα πλεονεκτήματα της χαμηλής τιμής, της καλής απόδοσης και της απλής διαδικασίας, θα γίνει μια σημαντική κατεύθυνση για την ανάπτυξη των ηλιακών κυψελών στο μέλλον. Το μόνο πρόβλημα είναι η πηγή του υλικού. Δεδομένου ότι το ίνδιο και το σελήνιο είναι σχετικά σπάνια στοιχεία, η ανάπτυξη αυτού του τύπου μπαταρίας είναι αναπόφευκτα περιορισμένη.
3. Οργανικά πολυμερή ηλιακά κύτταρα
Η αντικατάσταση ανόργανων υλικών με οργανικά πολυμερή είναι μια νέα ερευνητική κατεύθυνση για την κατασκευή ηλιακών κυττάρων. Λόγω των πλεονεκτημάτων της καλής ευελιξίας, της εύκολης παραγωγής, των ευρειών πηγών υλικών και του χαμηλού κόστους οργανικών υλικών, έχει μεγάλη σημασία η ευρεία χρήση της ηλιακής ενέργειας και η παροχή φθηνής ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, η έρευνα για την παρασκευή ηλιακών κυψελών με οργανικά υλικά μόλις ξεκίνησε. Το εάν μπορεί να εξελιχθεί σε προϊόν με πρακτική σημασία μένει να μελετηθεί και να διερευνηθεί περαιτέρω.
4. Νανοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα
Τα νανοκρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα αναπτύχθηκαν πρόσφατα. Τα πλεονεκτήματά τους είναι το χαμηλό κόστος, η απλή διαδικασία και η σταθερή απόδοση. Η φωτοηλεκτρική τους απόδοση είναι σταθερή σε περισσότερο από 10%, και το κόστος παραγωγής είναι μόνο το 1/5 έως 1/10 αυτού των ηλιακών κυψελών πυριτίου. Η διάρκεια ζωής μπορεί να φτάσει περισσότερα από 20 χρόνια. Η έρευνα και η ανάπτυξη τέτοιων μπαταριών μόλις ξεκίνησε και θα μπουν σταδιακά στην αγορά στο εγγύς μέλλον.