Zonnecellen zijn een type foto-elektrisch element dat energie kan omzetten. Hun basisstructuur wordt gevormd door het combineren van P-type en N-type halfgeleiders. Het meest basale materiaal van halfgeleiders is "silicium", dat niet-geleidend is. Als er echter verschillende onzuiverheden aan halfgeleiders worden toegevoegd, kunnen P-type en N-type halfgeleiders worden gemaakt. Vervolgens wordt het potentiaalverschil tussen de P-type halfgeleider met een gat (de P-type halfgeleider mist een negatief geladen elektron, wat kan worden beschouwd als een extra positieve lading) en de N-type halfgeleider met een extra vrij elektron gebruikt om stroom te genereren. Daarom, wanneer zonlicht schijnt, exciteert de lichtenergie de elektronen in de siliciumatomen en produceert convectie van elektronen en gaten. Deze elektronen en gaten worden beïnvloed door het ingebouwde potentiaal en worden respectievelijk aangetrokken door de N-type en P-type halfgeleiders en verzamelen zich aan beide uiteinden. Op dit moment, als de buitenkant is verbonden met elektroden om een circuit te vormen, is dit het principe van zonnecelenergieopwekking.
Zonnecellen kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën op basis van hun kristaltoestand: het type met dunne film met kristallijne structuur en het type met dunne film met niet-kristallijne structuur (hierna aangeduid als a-). Het eerste type wordt verder onderverdeeld in het type met monokristallijne structuur en het type met polykristallijne structuur.
Afhankelijk van het materiaal kunnen ze worden onderverdeeld in het type dunne siliciumfilm, het type dunne halfgeleiderfilm en het type organische film. Het type dunne halfgeleiderfilm wordt verder onderverdeeld in het niet-kristallijne type (a-Si:H, a-Si:H:F, a-SixGel-x:H, enz.), de IIIV-groep (GaAs, InP, enz.), de IIVI-groep (Cds-serie) en zinkfosfide (Zn3p2), enz.
Afhankelijk van de gebruikte materialen kunnen zonnecellen ook worden onderverdeeld in: siliciumzonnecellen, dunnefilmzonnecellen met meerdere verbindingen, polymeermeerlaags gemodificeerde elektrodezonnecellen, nanokristallijne zonnecellen, organische zonnecellen, plastic zonnecellen. Van deze zonnecellen zijn siliciumzonnecellen het meest volwassen en domineren ze in toepassingen.
1. Silicium zonnecellen
Er zijn drie typen siliciumzonnecellen: monokristallijne siliciumzonnecellen, polykristallijne dunnefilm siliciumzonnecellen en amorfe dunnefilm siliciumzonnecellen.
(1) Enkelkristal silicium zonnecellen hebben de hoogste conversie-efficiëntie en de meest volwassen technologie. De hoogste conversie-efficiëntie in het laboratorium is 24,7% en de efficiëntie in grootschalige productie is 15% (vanaf 2011 was dit 18%). Het neemt nog steeds een dominante positie in grootschalige toepassingen en industriële productie in, maar vanwege de hoge kosten van enkelkristallijn silicium is het moeilijk om de kosten ervan aanzienlijk te verlagen. Om siliciummaterialen te besparen, zijn polykristallijne silicium dunne film en amorfe silicium dunne film ontwikkeld als alternatieven voor enkelkristallijne silicium zonnecellen.
(2) Vergeleken met monokristallijn silicium zijn polykristallijne silicium dunnefilm zonnecellen goedkoper en efficiënter dan amorfe silicium dunnefilm cellen. De hoogste laboratorium conversie-efficiëntie is 18%, en de conversie-efficiëntie van industriële productie is 10% (vanaf 2011 was dit 17%). Daarom zullen polykristallijne silicium dunnefilm cellen binnenkort een dominante positie innemen op de markt voor zonnecellen.
(3) Amorfe silicium dunne film zonnecellen zijn goedkoop en licht in gewicht, met een hoge conversie-efficiëntie, gemakkelijk massaal te produceren en hebben een groot potentieel. Echter, vanwege het foto-elektrische efficiëntie verval effect veroorzaakt door het materiaal, is de stabiliteit niet hoog, wat direct van invloed is op de praktische toepassing. Als het stabiliteitsprobleem verder kan worden opgelost en het conversieratio probleem kan worden verbeterd, dan zullen amorfe silicium zonnecellen ongetwijfeld een van de belangrijkste ontwikkelingsproducten van zonnecellen zijn.
2. Kristallijne dunnefilmzonnecellen
Polykristallijne dunnefilmcellen Cadmiumsulfide en cadmiumtelluride polykristallijne dunnefilmcellen zijn efficiënter dan amorfe silicium dunnefilmzonnecellen, goedkoper dan monokristallijne siliciumcellen en eenvoudig massaal te produceren. Cadmium is echter zeer giftig en zal ernstige milieuvervuiling veroorzaken. Daarom is het niet het meest ideale alternatief voor kristallijne siliciumzonnecellen.
De conversie-efficiëntie van galliumarsenide (GaAs) III-V-compoundcellen kan 28% bereiken. GaAs-compoundmaterialen hebben een zeer ideale optische band gap en een hoge absorptie-efficiëntie, een sterke stralingsweerstand en zijn ongevoelig voor hitte. Ze zijn geschikt voor de productie van hoog-efficiënte single-junctioncellen. De prijs van GaAs-materialen is echter hoog, wat de populariteit van GaAs-cellen sterk beperkt.
Koper-indium-selenide dunnefilmcellen (kortweg CIS) zijn geschikt voor foto-elektrische conversie, hebben niet het probleem van door licht geïnduceerde degradatie en hebben dezelfde conversie-efficiëntie als polykristallijn silicium. Met de voordelen van een lage prijs, goede prestaties en een eenvoudig proces, zal het in de toekomst een belangrijke richting worden voor de ontwikkeling van zonnecellen. Het enige probleem is de bron van het materiaal. Omdat indium en selenium relatief zeldzame elementen zijn, is de ontwikkeling van dit type batterij onvermijdelijk beperkt.
3. Organische polymeer zonnecellen
Het vervangen van anorganische materialen door organische polymeren is een nieuw ontwikkelde onderzoeksrichting voor de productie van zonnecellen. Vanwege de voordelen van goede flexibiliteit, eenvoudige productie, brede materiaalbronnen en lage kosten van organische materialen, is het van groot belang voor het grootschalige gebruik van zonne-energie en de levering van goedkope elektriciteit. Het onderzoek naar de bereiding van zonnecellen met organische materialen is echter nog maar net begonnen. Of het kan worden ontwikkeld tot een product met praktische betekenis, moet nog verder worden bestudeerd en onderzocht.
4. Nanokristallijne zonnecellen
Nanokristallijne zonnecellen zijn nieuw ontwikkeld. Hun voordelen zijn hun lage kosten, eenvoudige proces en stabiele prestaties. Hun foto-elektrische efficiëntie is stabiel op meer dan 10% en de productiekosten zijn slechts 1/5 tot 1/10 van die van siliciumzonnecellen. De levensduur kan meer dan 20 jaar bedragen. Het onderzoek en de ontwikkeling van dergelijke batterijen is net begonnen en ze zullen in de nabije toekomst geleidelijk op de markt komen.