Сонячні батареї - це тип фотоелектричних елементів, які можуть перетворювати енергію. Їх основна структура утворена шляхом поєднання напівпровідників P-типу та N-типу. Основним матеріалом напівпровідників є «кремній», який не проводить електричний струм. Однак, якщо до напівпровідників додати різні домішки, можна виготовити напівпровідники P-типу та N-типу. Потім різниця потенціалів між напівпровідником P-типу з діркою (у напівпровіднику P-типу відсутній негативно заряджений електрон, який можна розглядати як додатковий позитивний заряд) і напівпровідником N-типу з додатковим вільним електроном використовується для генерувати струм. Тому, коли сонячне світло світить, світлова енергія збуджує електрони в атомах кремнію та створює конвекцію електронів і дірок. Ці електрони та дірки зазнають впливу вбудованого потенціалу та притягуються напівпровідниками N-типу та P-типу відповідно та збираються на обох кінцях. У цей час, якщо зовнішня сторона з’єднана з електродами, щоб утворити ланцюг, це принцип генерації енергії сонячними елементами.
Сонячні батареї можна розділити на дві категорії відповідно до їх кристалічного стану: кристалічний тип тонкої плівки та некристалічний тип тонкої плівки (надалі позначається як a-), і перший далі поділяється на монокристалічний тип і полікристалічний тип.
За матеріалом їх можна розділити на тип кремнієвої тонкої плівки, типу складної напівпровідникової тонкої плівки та типу органічної плівки, а тип складної напівпровідникової тонкої плівки далі поділяється на некристалічний тип (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H тощо), групи IIIV (GaAs, InP тощо), групи IIVI (серія Cds) і фосфіду цинку (Zn3p2) тощо.
Відповідно до різних матеріалів, які використовуються, сонячні елементи також можна розділити на: кремнієві сонячні елементи, багатокомпонентні тонкоплівкові сонячні елементи, полімерні багатошарові модифіковані електродні сонячні елементи, нанокристалічні сонячні елементи, органічні сонячні елементи, пластикові сонячні елементи, серед яких кремнієві сонячні елементи. клітини є найбільш зрілими і домінують у застосуваннях.
1. Кремнієві сонячні елементи
Кремнієві сонячні елементи поділяються на три типи: монокристалічні кремнієві сонячні елементи, полікристалічні кремнієві тонкоплівкові сонячні елементи та аморфні кремнієві тонкоплівкові сонячні елементи.
(1) Монокристалічні кремнієві сонячні елементи мають найвищу ефективність перетворення та найдосконалішу технологію. Найвищий ККД перетворення в лабораторії — 24,7 %, ККД у великосерійному виробництві — 15 % (на 2011 рік — 18 %). Він як і раніше займає домінуюче положення в масштабних застосуваннях і промисловому виробництві, але через високу вартість монокристалічного кремнію важко істотно знизити його вартість. Щоб заощадити кремнієві матеріали, тонку плівку полікристалічного кремнію та тонку плівку аморфного кремнію було розроблено як альтернативу монокристалічним кремнієвим сонячним елементам.
(2) Порівняно з монокристалічним кремнієм тонкоплівкові сонячні елементи з полікристалічного кремнію є дешевшими та ефективнішими, ніж тонкоплівкові елементи з аморфного кремнію. Його найвища лабораторна ефективність конверсії становить 18%, а ефективність конверсії промислового виробництва – 10% (станом на 2011 рік – 17%). Таким чином, полікристалічні кремнієві тонкоплівкові елементи незабаром займуть домінуюче положення на ринку сонячних елементів.
(3) Тонкоплівкові сонячні елементи з аморфного кремнію мають низьку вартість і легку вагу, мають високу ефективність перетворення, їх легко масово виробляти та мають великий потенціал. Однак через ефект спадання фотоелектричної ефективності, викликаний його матеріалом, його стабільність не висока, що безпосередньо впливає на його практичне застосування. Якщо проблема стабільності може бути вирішена далі, а проблема швидкості перетворення може бути покращена, то аморфні кремнієві сонячні батареї, безсумнівно, будуть одним із основних продуктів розробки сонячних елементів.
2. Кристалічні тонкоплівкові сонячні елементи
Полікристалічні тонкоплівкові елементи Полікристалічні тонкоплівкові елементи з сульфіду кадмію та телуриду кадмію ефективніші, ніж тонкоплівкові сонячні елементи з аморфного кремнію, дешевші, ніж монокристалічні кремнієві елементи, і їх легко виробляти масово. Однак кадмій дуже токсичний і спричинить серйозне забруднення навколишнього середовища. Тому це не найідеальніша альтернатива кристалічним кремнієвим сонячним елементам.
Ефективність перетворення арсеніду галію (GaAs) сполук III-V може досягати 28%. Складні матеріали GaAs мають дуже ідеальну оптичну заборонену зону та високу ефективність поглинання, сильну стійкість до випромінювання та нечутливі до тепла. Вони підходять для виготовлення високоефективних одноперехідних елементів. Однак ціна GaAs матеріалів висока, що значно обмежує популярність GaAs елементів.
Тонкоплівкові елементи з селеніду міді-індію (скорочено CIS) підходять для фотоелектричного перетворення, не мають проблеми деградації під впливом світла та мають таку саму ефективність перетворення, як і полікристалічний кремній. Завдяки низькій ціні, хорошій продуктивності та простому процесу це стане важливим напрямком розвитку сонячних елементів у майбутньому. Єдина проблема – джерело матеріалу. Оскільки індій і селен є відносно рідкісними елементами, розробка цього типу акумулятора неминуче обмежена.
3. Органічні полімерні сонячні елементи
Заміна неорганічних матеріалів органічними полімерами є новим напрямком досліджень для виробництва сонячних елементів. Завдяки хорошій гнучкості, легкому виробництву, широким джерелам матеріалів і низькій вартості органічних матеріалів, це має велике значення для широкомасштабного використання сонячної енергії та забезпечення дешевої електроенергії. Однак дослідження по виготовленню сонячних елементів з органічними матеріалами тільки почалися. Чи можна його розробити в продукт із практичним значенням, ще належить дослідити й дослідити далі.
4. Нанокристалічні сонячні елементи
Нанокристалічні сонячні елементи нещодавно розроблені. Їх перевагами є низька вартість, простий процес і стабільна продуктивність. Їх фотоелектричний ККД стабільно перевищує 10%, а собівартість виробництва становить лише від 1/5 до 1/10 вартості кремнієвих сонячних елементів. Тривалість життя може досягати більше 20 років. Дослідження та розробка таких акумуляторів тільки почалася, і вони поступово вийдуть на ринок найближчим часом.