Ključni element fotovoltaične tehnologije je sončna fotovoltaična celica. Razvoj sončnih fotovoltaičnih celic lahko v grobem razdelimo na tri generacije. Prva generacija so silicijeve sončne celice; druga generacija so tankoplastne sončne celice; nove tehnologije, kot so visokozmogljive koncentrirajoče celice, organske sončne celice, fleksibilne sončne celice in nano-sončne celice, občutljive na barvilo, se skupaj imenujejo sončne celice tretje generacije. Trenutno je glavna prva generacija sončnih celic na osnovi silicija, tržni delež tankoplastnih celic pa se postopoma širi. Razen visokozmogljivih koncentratorskih celic je večina celic tretje generacije še vedno v fazi laboratorijskih raziskav in razvoja.
Silicijeve sončne celice
Med silicijevimi sončnimi celicami je tehnologija monokristalnega silicija najbolj zrela. Na učinkovitost in ceno takih celic vplivajo predvsem njihovi proizvodni procesi. Proizvodni proces je v glavnem razdeljen na več korakov, kot so ulivanje ingota, rezanje, difuzija, teksturiranje, sitotisk in sintranje. Učinkovitost fotoelektrične pretvorbe sončnih celic, proizvedenih s tem običajnim postopkom, je običajno 16 odstotkov -18 odstotkov.
Učinkovitost pretvorbe monokristalnih silicijevih sončnih celic je najvišja, vendar so tudi stroški višji. Sončne celice iz polikristalnega silicija lahko zelo dobro znižajo stroške. Prednost je v tem, da lahko neposredno izdeluje kvadratne silicijeve ingote velikih velikosti, primerne za obsežno proizvodnjo. Oprema je razmeroma preprosta, zato je proizvodni proces preprost, varčuje z energijo in silicijevim materialom. Tudi materialne zahteve so razmeroma nizke.
Poleg zmanjšanja stroškov materiala in stroškov sončnih celic se to v glavnem doseže z dvema vidikoma: eden je zmanjšanje potrošnega materiala, kot je zmanjšanje debeline silicijevih rezin; drugi je izboljšati učinkovitost pretvorbe. Načini za izboljšanje učinkovitosti vključujejo naslednje vidike: Prvi je povečanje absorpcije svetlobe, kot je površinsko teksturiranje, priprava antirefleksnih plasti in zmanjšanje širine sprednje elektrode. Drugi je zmanjšati rekombinacijo fotogeneriranih nosilcev in izboljšati izkoriščanje fotonov, kot je tehnologija pasivizacije emiterja. Tretji je zmanjšati upor in povečati absorpcijo fototoka na elektrodi, kot sta razdelitveno dopiranje in tehnologija povratnega električnega polja.
Trenutni rekord učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe monokristalnih silicijevih sončnih celic je 24,7 odstotka, ki so ga ustvarile sončne celice s strukturo PERL Univerze v Novem Južnem Walesu. Njegove tehnične značilnosti vključujejo: koncentracija fosforjevega dopinga na površini silicija je nizka, da se zmanjša rekombinacija površine in prepreči obstoj površinskih "mrtvih plasti"; lokalna visokokoncentrirana difuzija se uporablja pod sprednjimi in zadnjimi površinskimi elektrodami, da se zmanjša rekombinacija območja elektrod in tvori dober ohmični kontakt; sprednja površinska elektroda je zožena s postopkom fotolitografije, da se poveča območje absorpcije svetlobe; elektroda na sprednji površini uporablja kombinacijo bolj ujemajočih se kovin, kot so titan, paladij in srebro, za zmanjšanje kontaktnega upora med elektrodo in silicijem; sprednja in zadnja površina baterije uporabljata SiO2 in metode točkovnega stika za zmanjšanje površinske rekombinacije celic. Vendar tehnologija še ni industrializirana.
Poleg tehnologije PERL je mogoče za izboljšanje učinkovitosti pretvorbe uporabiti tudi druge tehnologije. Kot na primer površinsko žlebljena semiš celica in hrbtna elektroda (EWT) s tehnologijo BP Solar. Prva v glavnem zmanjša širino sprednje elektrode s postopkom laserskega žlebljenja in poveča absorpcijsko površino sončne svetlobe, obsežna proizvodnja pa lahko doseže učinkovitost 18,3 odstotka; Zadnja stran, s čimer se poveča območje absorpcije svetlobe sprednje strani, lahko doseže učinkovitost 21,3 odstotka.
Tankoplastne sončne celice
Sončne celice iz kristalnega silicija so zelo učinkovite in še vedno prevladujejo v velikih aplikacijah in industrijski proizvodnji. Vendar pa je zaradi relativno visoke cene silicijevih materialov zelo težko močno znižati stroške. Da bi našli alternativo celicam iz kristalnega silicija, so se pojavile cenejše tankoplastne sončne celice. Glavne tankoslojne baterije so tankoslojne baterije na osnovi silicija, tankoslojne baterije iz kadmijevega telurida (CdTe) in tankoplastne baterije iz bakrovega indij-galijevega selenida (CIGS).
Debelina tankoslojnih celic na osnovi silicija je le 2 mikrona. V primerjavi s kristalnimi silicijevimi celicami z debelino približno 180 mikronov je količina silicijevega materiala le okoli 1,5 odstotka celic kristalnega silicija, cena pa je nizka. Glede na število vključenih PN spojev se tankoplastne celice na osnovi silicija delijo na celice z enim stikom, celice z dvojnim stikom in celice z več spoji. Različni PN spoji lahko absorbirajo sončno svetlobo različnih valovnih dolžin. Trenutno lahko največja učinkovitost celic z enim stikom doseže 7 odstotkov, celic z dvojnim stikom pa 10 odstotkov.
Zaradi dobre stopnje absorpcije svetlobe materiala je učinkovitost pretvorbe tankoplastnih celic kadmijevega telurida višja kot pri tankoplastnih celicah na osnovi silicija, trenutna učinkovitost pa lahko doseže 12 odstotkov. Vendar pa ima element kadmij rakotvorne učinke in naravne zaloge telurja so omejene, kar omejuje dolgoročni razvoj te baterije.
Tankoslojne baterije iz bakrovega indij-galijevega selenida veljajo za prihodnjo razvojno smer visoko učinkovitih tankoplastnih baterij, ki lahko s prilagoditvijo proizvodnega procesa izboljšajo stopnjo absorpcije sončne svetlobe in s tem izboljšajo učinkovitost pretvorbe. Trenutno lahko laboratorijska učinkovitost pretvorbe doseže 20,1 odstotka, učinkovitost izdelka pa 13-14 odstotkov, kar je največ med vsemi tankoplastnimi baterijami.
Sončne celice tretje generacije
Celice tretje generacije lahko teoretično dosežejo višjo učinkovitost pretvorbe. V tej fazi, razen koncentratorskih celic, jih je večina še v fazi laboratorijskih raziskav.
Koncentratorske celice na splošno uporabljajo polprevodniške materiale III-V, predvsem zato, ker imajo polprevodniki III-V veliko večjo visokotemperaturno odpornost kot silicij, imajo še vedno visoko učinkovitost fotoelektrične pretvorbe pri močni osvetlitvi, struktura z več stičišči pa naredi njihov absorpcijski spekter in spekter sončne svetlobe. so skoraj enake, teoretična učinkovitost pretvorbe pa lahko doseže 68 odstotkov. Trenutno tri PN spoje tvorijo trije različni polprevodniški materiali, germanij, galijev arzenid in galijev indijev fosfor. Če se izvaja obsežna proizvodnja, lahko učinkovitost doseže več kot 40 odstotkov.
Sončne celice so pakirane v solarne module, uporaba različnih sončnih celic pa je odvisna od njihovih lastnosti in razvoja tržnega povpraševanja. Na začetku se je sončna energija uporabljala predvsem v komunikacijskih baznih postajah in umetnih satelitih, kasneje pa je postopoma vstopila tudi v civilno področje, kot so sončne strehe. V teh scenarijih je območje namestitve majhno, zahteva po energijski gostoti pa visoka, zato moduli iz kristalnega silicija zasedajo glavni tržni delež. Z razvojem obsežnih sončnih puščavskih elektrarn in fotonapetostnih zgradb so celoviti stroški postopoma nadomestili energijsko gostoto kot pomemben dejavnik, ki ga je treba upoštevati, uporaba tankoslojnih baterij pa je v porastu. Poleg tega na uporabo različnih tehnologij vplivajo tudi drugi dejavniki, kot so okolje uporabe in podnebne razmere.
