Ključni element fotonaponske tehnologije je solarna fotonaponska ćelija. Razvoj solarnih fotonaponskih ćelija može se grubo podijeliti u tri generacije. Prva generacija su silicijumske solarne ćelije; druga generacija su tankoslojne solarne ćelije; nove tehnologije kao što su ćelije za koncentraciju velike snage, organske solarne ćelije, fleksibilne solarne ćelije i nano-solarne ćelije osetljive na boju zajednički se nazivaju solarnim ćelijama treće generacije. Trenutno je glavna struja prva generacija solarnih ćelija na bazi silikona, a tržišni udio tankoslojnih ćelija se postepeno širi. Osim koncentratorskih ćelija velike snage, većina ćelija treće generacije je još uvijek u fazi laboratorijskog istraživanja i razvoja.
Silicijumske solarne ćelije
Među silicijumskim solarnim ćelijama, tehnologija monokristalnog silicijuma je najzrelija. Na efikasnost i cijenu takvih ćelija prvenstveno utiču njihovi proizvodni procesi. Proces proizvodnje uglavnom je podijeljen u nekoliko koraka kao što su livenje ingota, rezanje, difuzija, teksturiranje, sitotisak i sinterovanje. Efikasnost fotoelektrične konverzije solarnih ćelija proizvedenih ovim uobičajenim procesom je općenito 16 posto -18 posto.
Efikasnost konverzije monokristalnih silicijumskih solarnih ćelija je najveća, ali je i cena veća. Solarne ćelije od polikristalnog silicija mogu vrlo dobro smanjiti troškove. Prednost je u tome što može direktno proizvesti velike kvadratne silikonske ingote pogodne za proizvodnju velikih razmjera. Oprema je relativno jednostavna, tako da je proces proizvodnje jednostavan, štedi energiju i štedi silikonski materijal. Potrebe za materijalom su takođe relativno niske.
Osim smanjenja troškova materijala i troškova solarnih ćelija, to se uglavnom postiže kroz dva aspekta: jedan je smanjenje potrošnog materijala, kao što je smanjenje debljine silikonskih pločica; drugi je poboljšanje efikasnosti konverzije. Načini za poboljšanje efikasnosti uključuju sljedeće aspekte: Prvi je povećanje apsorpcije svjetlosti, kao što je teksturiranje površine, priprema antirefleksnih slojeva i smanjenje širine prednje elektrode. Drugi je smanjenje rekombinacije fotogeneriranih nosača i poboljšanje korištenja fotona, kao što je tehnologija pasivizacije emitera. Treći je smanjenje otpora i povećanje apsorpcije fotostruje od strane elektrode, kao što je dopiranje particije i tehnologija stražnjeg električnog polja.
Trenutni rekord za efikasnost fotoelektrične konverzije monokristalnih silicijumskih solarnih ćelija je 24,7 posto koji je kreirao PERL solarne ćelije sa strukturom Univerziteta Novog Južnog Velsa. Njegove tehničke karakteristike uključuju: koncentracija fosfornog dopinga na površini silicijuma je niska kako bi se smanjila rekombinacija površine i izbjeglo postojanje površinskih "mrtvih slojeva"; lokalna difuzija visoke koncentracije koristi se ispod prednje i stražnje površinske elektrode kako bi se smanjila rekombinacija područja elektrode i formirao dobar omski kontakt; prednja površinska elektroda je sužena postupkom fotolitografije kako bi se povećala površina apsorpcije svjetlosti; elektroda na prednjoj površini koristi kombinaciju više odgovarajućih metala kao što su titan, paladijum i srebro kako bi se smanjio kontaktni otpor između elektrode i silicijuma; prednja i stražnja površina baterije koriste SiO2 i metode točkastog kontakta kako bi se smanjila površinska rekombinacija ćelija. Međutim, tehnologija još nije industrijalizirana.
Pored PERL tehnologije, za poboljšanje efikasnosti konverzije mogu se koristiti i druge tehnologije. Kao što je BP Solar-ova površinska užljebljena ćelija od antilopa i stražnja elektroda (EWT) kroz tehnologiju. Prvi uglavnom smanjuje širinu prednje elektrode kroz proces laserskog urezivanja i povećava površinu apsorpcije sunčeve svjetlosti, a proizvodnja velikih razmjera može postići efikasnost od 18,3 posto; Zadnja strana, čime se povećava površina apsorpcije svjetlosti prednje strane, može postići efikasnost od 21,3 posto.
Tankoslojne solarne ćelije
Solarne ćelije od kristalnog silicija su visoko efikasne i još uvijek dominiraju u velikim aplikacijama i industrijskoj proizvodnji. Međutim, zbog relativno visoke cijene silikonskih materijala, vrlo je teško značajno smanjiti njegovu cijenu. Kako bi se pronašle alternative ćelijama kristalnog silicija, pojavile su se jeftinije tankoslojne solarne ćelije. Uobičajene tankoslojne baterije su tankoslojne baterije na bazi silikona, tankoslojne baterije kadmijum telurida (CdTe) i tankoslojne baterije bakra indijum galij selenida (CIGS).
Debljina ćelija tankog filma na bazi silicijuma je samo 2 mikrona. U poređenju sa ćelijama kristalnog silicijuma debljine oko 180 mikrona, količina silicijumskog materijala je samo oko 1,5 procenata u odnosu na ćelije kristalnog silicija, a cena je niska. Prema broju uključenih PN spojeva, ćelije tankog filma na bazi silicijuma dijele se na ćelije sa jednim spojem, ćelije sa dvostrukim spojem i ćelije sa više spojeva. Različiti PN spojevi mogu apsorbirati sunčevu svjetlost različitih talasnih dužina. Trenutno, najveća efikasnost jednospojnih ćelija može doseći 7 posto, a dvospojnih ćelija može doseći 10 posto.
Zbog dobre stope apsorpcije svjetlosti materijala, efikasnost konverzije tankoslojnih ćelija kadmijum telurida je veća od one tankoslojnih ćelija na bazi silicijuma, a trenutna efikasnost može dostići 12 procenata. Međutim, element kadmijum ima kancerogeno dejstvo i prirodne rezerve telura su ograničene, što ograničava dugoročni razvoj ove baterije.
Bakar indijum galij selenid tankoslojne baterije smatraju se budućim pravcem razvoja visokoefikasnih tankoslojnih baterija, koje mogu poboljšati stopu apsorpcije sunčeve svetlosti prilagođavanjem procesa proizvodnje, čime se poboljšava efikasnost konverzije. Trenutno, efikasnost konverzije u laboratoriji može doseći 20,1 posto, a efikasnost proizvoda može dostići 13-14 posto, što je najviše među svim tankoslojnim baterijama.
Solarne ćelije treće generacije
Ćelije treće generacije teoretski mogu postići veću efikasnost konverzije. U ovoj fazi, osim ćelija koncentratora, većina njih je još uvijek u fazi laboratorijskog istraživanja.
Ćelije koncentratora generalno koriste III-V poluprovodničke materijale, uglavnom zato što III-V poluvodiči imaju mnogo veću otpornost na visoke temperature od silicijuma, i dalje imaju visoku fotoelektričnu konverziju pod visokim osvjetljenjem, a struktura sa više spojeva čini njihov apsorpcijski spektar i spektar sunčeve svjetlosti. su blizu iste, a teoretska efikasnost konverzije može doseći 68 posto. Trenutno, tri PN spoja formiraju tri različita poluvodička materijala, germanij, galij arsenid i galijum indijum fosfor. Ako se radi u velikoj proizvodnji, efikasnost može dostići i više od 40 posto.
Solarne ćelije se pakuju u solarne module, a primena različitih solarnih ćelija zavisi od njihovih karakteristika i razvoja potražnje na tržištu. U ranim danima, solarna energija se uglavnom koristila u komunikacijskim baznim stanicama i umjetnim satelitima, a kasnije je postupno ušla u civilno područje, poput solarnih krovova. U ovim scenarijima, područje instalacije je malo, a zahtjevi za gustinom energije su visoki, tako da moduli od kristalnog silicija zauzimaju glavni tržišni udio. S razvojem velikih solarnih pustinjskih elektrana i fotonaponskih zgrada, sveobuhvatni troškovi postepeno su zamijenili gustinu energije kao važan faktor koji treba uzeti u obzir, a primjena tankoslojnih baterija je u porastu. Osim toga, na primjenu različitih tehnologija utiču i drugi faktori kao što su okruženje upotrebe i klimatski uslovi.
