Το βασικό στοιχείο της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας είναι το ηλιακό φωτοβολταϊκό στοιχείο. Η ανάπτυξη των ηλιακών φωτοβολταϊκών κυττάρων μπορεί να χωριστεί χονδρικά σε τρεις γενιές. Η πρώτη γενιά είναι ηλιακά κύτταρα πυριτίου. Η δεύτερη γενιά είναι ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης. Οι νέες τεχνολογίες όπως οι κυψέλες συγκέντρωσης υψηλής ισχύος, οι οργανικές ηλιακές κυψέλες, οι εύκαμπτες ηλιακές κυψέλες και οι ευαισθητοποιημένες με βαφές νανοηλιακές κυψέλες αναφέρονται συλλογικά ως ηλιακά κύτταρα τρίτης γενιάς. Επί του παρόντος, το κύριο ρεύμα είναι η πρώτη γενιά ηλιακών κυψελών με βάση το πυρίτιο και το μερίδιο αγοράς των κυψελών λεπτής μεμβράνης επεκτείνεται σταδιακά. Εκτός από τις κυψέλες συγκέντρωσης υψηλής ισχύος, οι περισσότερες από τις κυψέλες τρίτης γενιάς βρίσκονται ακόμη στο στάδιο της εργαστηριακής έρευνας και ανάπτυξης.
Ηλιακά κύτταρα πυριτίου
Μεταξύ των ηλιακών κυψελών πυριτίου, η τεχνολογία μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι η πιο ώριμη. Η αποτελεσματικότητα και το κόστος τέτοιων κυψελών επηρεάζονται κυρίως από τις διαδικασίες κατασκευής τους. Η διαδικασία κατασκευής χωρίζεται κυρίως σε διάφορα στάδια, όπως χύτευση πλινθωμάτων, τεμαχισμός, διάχυση, υφή, μεταξοτυπία και πυροσυσσωμάτωση. Η απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής των ηλιακών κυψελών που παράγονται από αυτήν την κοινή διαδικασία είναι γενικά 16 τοις εκατό -18 τοις εκατό .
Η απόδοση μετατροπής των ηλιακών κυψελών μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι η υψηλότερη, αλλά το κόστος είναι επίσης υψηλότερο. Τα ηλιακά κύτταρα πολυκρυσταλλικού πυριτίου μπορούν να μειώσουν το κόστος πολύ καλά. Το πλεονέκτημα είναι ότι μπορεί να κατασκευάσει απευθείας τετράγωνα πλινθώματα πυριτίου μεγάλου μεγέθους κατάλληλα για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Ο εξοπλισμός είναι σχετικά απλός, επομένως η διαδικασία κατασκευής είναι απλή, εξοικονόμηση ενέργειας και εξοικονόμηση υλικού πυριτίου. Οι απαιτήσεις σε υλικά είναι επίσης σχετικά χαμηλές.
Εκτός από τη μείωση του κόστους των υλικών και του κόστους των ηλιακών κυψελών, επιτυγχάνεται κυρίως μέσω δύο πτυχών: η μία είναι η μείωση των αναλώσιμων, όπως η μείωση του πάχους των πλακών πυριτίου. το άλλο είναι να βελτιωθεί η απόδοση μετατροπής. Οι τρόποι βελτίωσης της απόδοσης περιλαμβάνουν τις ακόλουθες πτυχές: Η πρώτη είναι να αυξηθεί η απορρόφηση του φωτός, όπως η υφή της επιφάνειας, η προετοιμασία των αντιανακλαστικών στρωμάτων και η μείωση του πλάτους του μπροστινού ηλεκτροδίου. Το δεύτερο είναι να μειωθεί ο ανασυνδυασμός των φωτογεννημένων φορέων και να βελτιωθεί η χρήση φωτονίων, όπως η τεχνολογία παθητικοποίησης εκπομπών. Το τρίτο είναι η μείωση της αντίστασης και η αύξηση της απορρόφησης του φωτορεύματος από το ηλεκτρόδιο, όπως το ντόπινγκ διαχωρισμού και η τεχνολογία οπίσθιου ηλεκτρικού πεδίου.
Το τρέχον ρεκόρ για την απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής των ηλιακών κυψελών μονοκρυσταλλικού πυριτίου είναι 24,7 τοις εκατό που δημιουργήθηκε από τα ηλιακά κύτταρα δομής PERL του Πανεπιστημίου της Νέας Νότιας Ουαλίας. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του περιλαμβάνουν: η συγκέντρωση του ντόπινγκ φωσφόρου στην επιφάνεια του πυριτίου είναι χαμηλή για να μειωθεί ο ανασυνδυασμός της επιφάνειας και να αποφευχθεί η ύπαρξη επιφανειακών «νεκρών στρωμάτων». Η τοπική διάχυση υψηλής συγκέντρωσης χρησιμοποιείται κάτω από τα ηλεκτρόδια της μπροστινής και της πίσω επιφάνειας για να μειωθεί ο ανασυνδυασμός της περιοχής του ηλεκτροδίου και να σχηματιστεί μια καλή ωμική επαφή. το ηλεκτρόδιο της μπροστινής επιφάνειας στενεύει με τη διαδικασία φωτολιθογραφίας για να αυξηθεί η περιοχή απορρόφησης φωτός. το ηλεκτρόδιο της μπροστινής επιφάνειας χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό περισσότερων ταιριαστών μετάλλων όπως τιτάνιο, παλλάδιο και ασήμι για να μειώσει την αντίσταση επαφής μεταξύ του ηλεκτροδίου και του πυριτίου. η μπροστινή και η πίσω επιφάνεια της μπαταρίας χρησιμοποιούν μεθόδους SiO2 και σημείο επαφής για να μειώσουν τον επιφανειακό ανασυνδυασμό των κυψελών. Ωστόσο, η τεχνολογία δεν έχει ακόμη βιομηχανοποιηθεί.
Εκτός από την τεχνολογία PERL, άλλες τεχνολογίες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της απόδοσης μετατροπής. Όπως το επιφανειακό αυλακωτό στοιχείο σουέτ και το πίσω ηλεκτρόδιο (EWT) της BP Solar μέσω τεχνολογίας. Το πρώτο μειώνει κυρίως το πλάτος του μπροστινού ηλεκτροδίου μέσω της διαδικασίας αυλάκωσης με λέιζερ και αυξάνει την περιοχή απορρόφησης του ηλιακού φωτός και η μεγάλης κλίμακας παραγωγή μπορεί να επιτύχει απόδοση 18,3 τοις εκατό. Η πίσω πλευρά, αυξάνοντας έτσι την περιοχή απορρόφησης φωτός της μπροστινής πλευράς, μπορεί να επιτύχει απόδοση 21,3 τοις εκατό.
Ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης
Τα ηλιακά κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου είναι εξαιρετικά αποδοτικά και εξακολουθούν να κυριαρχούν σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας και βιομηχανική παραγωγή. Ωστόσο, λόγω της σχετικά υψηλής τιμής των υλικών πυριτίου, είναι πολύ δύσκολο να μειωθεί σημαντικά το κόστος του. Προκειμένου να βρεθούν εναλλακτικές λύσεις για τις κυψέλες κρυσταλλικού πυριτίου, έχουν προκύψει φθηνά ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης. Οι κύριες μπαταρίες λεπτής μεμβράνης είναι μπαταρίες λεπτής μεμβράνης με βάση το πυρίτιο, μπαταρίες λεπτής μεμβράνης τελλουρίου καδμίου (CdTe) και μπαταρίες λεπτής μεμβράνης γαλλίου σεληνιούχου ινδίου (CIGS).
Το πάχος των κυττάρων λεπτής μεμβράνης με βάση το πυρίτιο είναι μόνο 2 μικρά. Σε σύγκριση με κυψέλες κρυσταλλικού πυριτίου με πάχος περίπου 180 μικρών, η ποσότητα υλικού πυριτίου είναι μόνο περίπου το 1,5 τοις εκατό αυτής των κυψελών κρυσταλλικού πυριτίου και το κόστος είναι χαμηλό. Σύμφωνα με τον αριθμό των συνδέσεων PN που περιλαμβάνονται, τα κύτταρα λεπτής μεμβράνης με βάση το πυρίτιο χωρίζονται σε κύτταρα μονής σύνδεσης, κύτταρα διπλής σύνδεσης και κύτταρα πολλαπλών συνδέσεων. Διαφορετικές συνδέσεις PN μπορούν να απορροφήσουν το ηλιακό φως διαφορετικών μηκών κύματος. Προς το παρόν, η υψηλότερη απόδοση των κυψελών μονής σύνδεσης μπορεί να φτάσει το 7 τοις εκατό και οι κυψέλες διπλής σύνδεσης μπορεί να φτάσουν το 10 τοις εκατό.
Λόγω του καλού ρυθμού απορρόφησης φωτός του υλικού, η απόδοση μετατροπής των κυψελών λεπτής μεμβράνης τελλουρίου καδμίου είναι υψηλότερη από εκείνη των κυψελών λεπτής μεμβράνης με βάση το πυρίτιο και η τρέχουσα απόδοση μπορεί να φτάσει το 12 τοις εκατό . Ωστόσο, το στοιχείο κάδμιο έχει καρκινογόνες επιδράσεις και τα φυσικά αποθέματα τελλουρίου είναι περιορισμένα, γεγονός που περιορίζει τη μακροπρόθεσμη ανάπτυξη αυτής της μπαταρίας.
Οι μπαταρίες λεπτής μεμβράνης σεληνιούχου γαλλίου χαλκού ινδίου θεωρούνται ως η μελλοντική κατεύθυνση ανάπτυξης των μπαταριών λεπτής μεμβράνης υψηλής απόδοσης, οι οποίες μπορούν να βελτιώσουν τον ρυθμό απορρόφησης του ηλιακού φωτός προσαρμόζοντας τη διαδικασία κατασκευής, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση μετατροπής. Προς το παρόν, η απόδοση μετατροπής του εργαστηρίου μπορεί να φτάσει το 20,1 τοις εκατό και η απόδοση του προϊόντος μπορεί να φτάσει το 13-14 τοις εκατό, το οποίο είναι το υψηλότερο μεταξύ όλων των μπαταριών λεπτής μεμβράνης.
Ηλιακά κύτταρα τρίτης γενιάς
Οι κυψέλες τρίτης γενιάς μπορούν θεωρητικά να επιτύχουν υψηλότερη απόδοση μετατροπής. Σε αυτό το στάδιο, εκτός από τα κύτταρα του συμπυκνωτή, τα περισσότερα από αυτά βρίσκονται ακόμη στο στάδιο της εργαστηριακής έρευνας.
Οι κυψέλες συμπυκνωτή χρησιμοποιούν γενικά υλικά ημιαγωγών III-V, κυρίως επειδή οι ημιαγωγοί III-V έχουν πολύ υψηλότερη αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες από το πυρίτιο, εξακολουθούν να έχουν υψηλή απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής υπό υψηλό φωτισμό και η δομή πολλαπλών συνδέσμων καθιστά το φάσμα απορρόφησης και το φάσμα του ηλιακού φωτός είναι κοντά στο ίδιο και η θεωρητική απόδοση μετατροπής μπορεί να φτάσει το 68 τοις εκατό . Προς το παρόν, τρεις συνδέσεις PN σχηματίζονται από τρία διαφορετικά υλικά ημιαγωγών, το γερμάνιο, το αρσενίδιο του γαλλίου και το φώσφορο ινδίου γαλλίου. Εάν πραγματοποιηθεί παραγωγή μεγάλης κλίμακας, η απόδοση μπορεί να φτάσει περισσότερο από 40 τοις εκατό.
Οι ηλιακές κυψέλες συσκευάζονται σε ηλιακές μονάδες και η εφαρμογή διαφορετικών ηλιακών κυψελών εξαρτάται από τα δικά τους χαρακτηριστικά και την ανάπτυξη της ζήτησης της αγοράς. Τις πρώτες μέρες, η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε σταθμούς βάσης επικοινωνιών και τεχνητούς δορυφόρους, και αργότερα σταδιακά εισήλθε στον πολιτικό τομέα, όπως οι ηλιακές στέγες. Σε αυτά τα σενάρια, η περιοχή εγκατάστασης είναι μικρή και η απαίτηση ενεργειακής πυκνότητας είναι υψηλή, επομένως οι μονάδες κρυσταλλικού πυριτίου καταλαμβάνουν το κύριο μερίδιο αγοράς. Με την ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας ηλιακών σταθμών παραγωγής ενέργειας στην έρημο και φωτοβολταϊκών κτιρίων, το συνολικό κόστος αντικατέστησε σταδιακά την ενεργειακή πυκνότητα ως σημαντικό παράγοντα που πρέπει να ληφθεί υπόψη και η εφαρμογή μπαταριών λεπτής μεμβράνης βρίσκεται σε άνοδο. Επιπλέον, η εφαρμογή διαφορετικών τεχνολογιών επηρεάζεται και από άλλους παράγοντες όπως το περιβάλλον χρήσης και οι κλιματικές συνθήκες.
