Päikesepatareid on teatud tüüpi fotoelektriline element, mis suudab energiat muundada. Nende põhistruktuur kujuneb P-tüüpi ja N-tüüpi pooljuhtide kombineerimisel. Pooljuhtide kõige elementaarsem materjal on "räni", mis ei ole juhtiv. Kui aga pooljuhtidele lisada erinevaid lisandeid, saab valmistada P-tüüpi ja N-tüüpi pooljuhte. Seejärel kasutatakse potentsiaalide erinevust P-tüüpi auguga pooljuhi (P-tüüpi pooljuhil puudub negatiivselt laetud elektron, mida võib pidada täiendavaks positiivseks laenguks) ja N-tüüpi täiendava vaba elektroniga pooljuhi vahel. voolu tekitada. Seega, kui päikesevalgus paistab, ergastab valgusenergia räni aatomites olevaid elektrone ning tekitab elektronide ja aukude konvektsiooni. Neid elektrone ja auke mõjutab sisseehitatud potentsiaal ning neid tõmbavad vastavalt N- ja P-tüüpi pooljuhid ning need kogunevad mõlemast otsast. Praegu, kui väliskülg on vooluringi moodustamiseks ühendatud elektroodidega, on see päikesepatareide elektritootmise põhimõte.
Päikesepatareid võib nende kristalloleku järgi jagada kahte kategooriasse: kristalliline õhukese kile tüüp ja mittekristalliline õhukese kile tüüp (edaspidi a-) ning esimene jaguneb veel monokristallitüübiks ja polükristalliliseks tüübiks.
Materjali järgi saab need jagada räni õhukese kile tüübiks, liitpooljuht õhukese kile tüübiks ja orgaanilise kile tüübiks ning liitpooljuht õhukese kile tüüp jaguneb veel mittekristalliliseks tüübiks (a-Si: H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H jne), IIIV rühm (GaAs, InP jne), IIVI rühm (Cds seeria) ja tsinkfosfiid (Zn3p2) jne.
Vastavalt erinevatele kasutatud materjalidele võib päikesepatareid jagada ka järgmisteks osadeks: ränist päikesepatareid, mitmeühendilisi õhukese kilega päikesepatareisid, polümeerse mitmekihilise modifitseeritud elektroodiga päikesepatareid, nanokristallilised päikesepatareid, orgaanilised päikesepatareid, plastist päikesepatareid, sealhulgas ränist päikesepatareid. rakud on kõige küpsemad ja domineerivad rakendustes.
1. Ränist päikesepatareid
Ränist päikesepatareid jagatakse kolme tüüpi: monokristallilised ränist päikesepatareid, polükristallilised räni õhukese kilega päikesepatareid ja amorfsed räni õhukese kilega päikesepatareid.
(1) Ühekristallilistel räni päikesepatareidel on kõrgeim muundamise efektiivsus ja kõige küpsem tehnoloogia. Konversiooni efektiivsus laboris on kõrgeim 24,7% ja suurtootmise efektiivsus 15% (2011. aasta seisuga 18%). Sellel on endiselt turgu valitsev positsioon suuremahulistes rakendustes ja tööstuslikus tootmises, kuid ühekristallilise räni kõrge hinna tõttu on selle maksumust raske oluliselt vähendada. Ränimaterjalide säästmiseks on ühekristallilise räni päikesepatareide alternatiivina välja töötatud polükristalliline räni õhuke kile ja amorfne räni õhuke kile.
(2) Võrreldes ühekristallilise räniga on polükristallilisest ränist õhukese kilega päikesepatareid odavamad ja tõhusamad kui amorfse räni õhukese kilega elemendid. Selle kõrgeim laboratoorse konversiooni efektiivsus on 18% ja tööstuslikus mastaabis tootmise konversiooniefektiivsus on 10% (2011. aasta seisuga on see 17%). Seetõttu hõivavad polükristallilisest ränist õhukese kilega elemendid päikesepatareide turul peagi valitseva positsiooni.
(3) Amorfsed räni õhukese kilega päikesepatareid on madala hinnaga ja kerged, suure konversioonitõhususega, kergesti masstootmises ja suure potentsiaaliga. Kuid selle materjalist põhjustatud fotoelektrilise efektiivsuse vähenemise efekti tõttu ei ole selle stabiilsus kõrge, mis mõjutab otseselt selle praktilist rakendamist. Kui stabiilsusprobleemi saab veelgi lahendada ja konversioonikursi probleemi parandada, on amorfsed ränist päikesepatareid kahtlemata üks peamisi päikesepatareide arendustooteid.
2. Kristallilised õhukese kilega päikesepatareid
Polükristallilised õhukese kilega elemendid Kaadmiumsulfiid ja kaadmiumtelluriidi polükristallilised õhukese kilega elemendid on tõhusamad kui amorfse räni õhukese kilega päikesepatareid, odavamad kui monokristallilised ränielemendid ja neid on lihtne masstootmine. Kaadmium on aga väga mürgine ja põhjustab tõsist keskkonnareostust. Seetõttu pole see kõige ideaalsem alternatiiv kristallilisest ränist päikesepatareidele.
Galliumarseniidi (GaAs) III-V liitrakkude muundamise efektiivsus võib ulatuda 28% -ni. GaAs liitmaterjalidel on väga ideaalne optiline ribalaius ja kõrge neeldumistõhusus, tugev kiirgustakistus ning need on kuumuse suhtes vähetundlikud. Need sobivad suure tõhususega üheühendusega elementide tootmiseks. GaAs materjalide hind on aga kõrge, mis piirab suuresti GaAs elementide populaarsust.
Vask-indiumseleniidi õhukesed kileelemendid (lühidalt CIS) sobivad fotoelektriliseks muundamiseks, neil ei ole valguse põhjustatud lagunemise probleemi ja neil on sama konversioonitõhusus kui polükristallilisel ränil. Madala hinna, hea jõudluse ja lihtsa protsessi eelistega saab sellest tulevikus päikesepatareide arendamise oluline suund. Ainus probleem on materjali allikas. Kuna indium ja seleen on suhteliselt haruldased elemendid, on seda tüüpi akude väljatöötamine paratamatult piiratud.
3. Orgaanilised polümeersed päikesepatareid
Anorgaaniliste materjalide asendamine orgaaniliste polümeeridega on päikesepatareide tootmise uus uurimissuund. Tänu heale paindlikkusele, lihtsale tootmisele, laiadele materjaliallikatele ja orgaaniliste materjalide madalale hinnale on sellel suur tähtsus päikeseenergia suuremahulisel kasutamisel ja odava elektrienergia pakkumisel. Orgaaniliste materjalidega päikesepatareide valmistamise uuringud on aga alles alanud. Seda, kas sellest saab praktilise tähtsusega toodet arendada, tuleb veel uurida ja uurida.
4. Nanokristallilised päikesepatareid
Nanokristallilised päikesepatareid on äsja välja töötatud. Nende eelised on nende madal hind, lihtne protsess ja stabiilne jõudlus. Nende fotoelektriline kasutegur on stabiilne üle 10% ja tootmiskulud on vaid 1/5 kuni 1/10 ränist päikesepatareide omast. Eluiga võib ulatuda üle 20 aasta. Selliste akude uurimis- ja arendustegevus on alles alanud ning lähitulevikus jõuavad need järk-järgult turule.