Saulės elementai yra fotoelektrinių elementų tipas, galintis konvertuoti energiją. Jų pagrindinė struktūra susidaro jungiant P tipo ir N tipo puslaidininkius. Pati pagrindinė puslaidininkių medžiaga yra „silicis“, kuris yra nelaidus. Tačiau jei į puslaidininkius dedama skirtingų priemaišų, galima pagaminti P tipo ir N tipo puslaidininkius. Tada naudojamas potencialų skirtumas tarp P tipo puslaidininkio su skyle (P tipo puslaidininkyje nėra neigiamai įkrauto elektrono, kuris gali būti laikomas papildomu teigiamu krūviu) ir N tipo puslaidininkio su papildomu laisvu elektronu. generuoti srovę. Todėl, kai šviečia saulės šviesa, šviesos energija sužadina elektronus silicio atomuose ir sukuria elektronų ir skylių konvekciją. Šiuos elektronus ir skyles veikia įmontuotas potencialas ir atitinkamai traukia N tipo ir P tipo puslaidininkiai ir susirenka abiejuose galuose. Šiuo metu, jei išorė yra sujungta su elektrodais, kad sudarytų grandinę, tai yra saulės elementų energijos gamybos principas.
Saulės elementus pagal jų kristalinę būseną galima suskirstyti į dvi kategorijas: kristalinio plonasluoksnio tipo ir nekristalinio plonasluoksnio tipo (toliau – a-), o pirmasis dar skirstomas į monokristalinį ir polikristalinį tipą.
Pagal medžiagą juos galima suskirstyti į silicio plonasluoksnį, sudėtinį puslaidininkinį plonasluoksnį ir organinės plėvelės tipą, o sudėtinis puslaidininkinis plonasluoksnis tipas dar skirstomas į nekristalinį tipą (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H ir kt.), IIIV grupė (GaAs, InP ir kt.), IIVI grupė (Cds serija) ir cinko fosfidas (Zn3p2) ir kt.
Pagal skirtingas naudojamas medžiagas saulės elementus taip pat galima skirstyti į: silicio saulės elementus, daugiasluoksnius plonasluoksnius saulės elementus, polimerinius daugiasluoksnius modifikuotus elektrodus saulės elementus, nanokristalinius saulės elementus, organinius saulės elementus, plastikinius saulės elementus, tarp kurių yra ir silicio saulės elementai. ląstelės yra labiausiai subrendusios ir dominuoja programose.
1. Silicio saulės elementai
Silicio saulės elementai skirstomi į tris tipus: monokristaliniai silicio saulės elementai, polikristaliniai silicio plonasluoksniai saulės elementai ir amorfiniai silicio plonasluoksniai saulės elementai.
(1) Vieno kristalo silicio saulės elementai turi didžiausią konversijos efektyvumą ir brandžiausią technologiją. Laboratorijoje didžiausias konversijos efektyvumas – 24,7%, o stambioje gamyboje – 15% (2011 m. – 18%). Jis vis dar užima dominuojančią padėtį didelio masto pritaikymuose ir pramoninėje gamyboje, tačiau dėl didelių vienkristalinio silicio sąnaudų sunku žymiai sumažinti jo sąnaudas. Siekiant taupyti silicio medžiagas, polikristalinio silicio plona plėvelė ir amorfinė silicio plona plėvelė buvo sukurtos kaip alternatyvos vieno kristalinio silicio saulės elementams.
(2) Palyginti su vienakristaliniu siliciu, polikristalinio silicio plonasluoksniai saulės elementai yra pigesni ir efektyvesni nei amorfiniai silicio plonasluoksniai elementai. Jo didžiausias laboratorinės konversijos efektyvumas siekia 18%, o pramoninio masto produkcijos konversijos efektyvumas – 10% (2011 m. – 17%). Todėl polikristalinio silicio plonasluoksniai elementai netrukus užims dominuojančią padėtį saulės elementų rinkoje.
(3) Amorfinės silicio plonasluoksnės saulės baterijos yra nebrangios ir lengvos, pasižymi dideliu konversijos efektyvumu, lengvai gaminamos masiškai ir turi didelį potencialą. Tačiau dėl fotoelektrinio efektyvumo mažėjimo efekto, kurį sukelia jo medžiaga, jo stabilumas nėra didelis, o tai tiesiogiai veikia praktinį pritaikymą. Jei stabilumo problemą pavyks išspręsti ir patobulinti konversijos kurso problemą, amorfiniai silicio saulės elementai neabejotinai bus vienas iš pagrindinių saulės elementų kūrimo produktų.
2. Kristaliniai plonasluoksniai saulės elementai
Polikristaliniai plonasluoksniai elementai Kadmio sulfido ir kadmio telūrido polikristaliniai plonasluoksniai elementai yra efektyvesni nei amorfiniai silicio plonasluoksniai saulės elementai, pigesni nei monokristaliniai silicio elementai ir lengvai gaminami masiškai. Tačiau kadmis yra labai toksiškas ir gali sukelti rimtą aplinkos taršą. Todėl tai nėra pati idealiausia alternatyva kristalinio silicio saulės elementams.
Galio arsenido (GaAs) III-V junginių ląstelių konversijos efektyvumas gali siekti 28%. GaAs sudėtinės medžiagos turi labai idealų optinį juostos tarpą ir didelį sugerties efektyvumą, didelį atsparumą spinduliuotei ir yra nejautrios karščiui. Jie tinka gaminti didelio efektyvumo vienos jungties elementus. Tačiau GaAs medžiagų kaina yra didelė, o tai labai riboja GaAs elementų populiarumą.
Vario indžio selenido plonasluoksnės ląstelės (sutrumpintai CIS) yra tinkamos fotoelektrinei konversijai, neturi šviesos sukelto skilimo problemos ir turi tokį patį konversijos efektyvumą kaip polikristalinis silicis. Dėl mažos kainos, gerų eksploatacinių savybių ir paprasto proceso privalumų tai taps svarbia saulės elementų plėtros kryptimi ateityje. Vienintelė problema yra medžiagos šaltinis. Kadangi indis ir selenas yra gana reti elementai, šio tipo baterijų kūrimas yra neišvengiamai ribotas.
3. Organiniai polimeriniai saulės elementai
Neorganinių medžiagų keitimas organiniais polimerais yra naujai sukurta saulės elementų gamybos tyrimų kryptis. Dėl gero lankstumo, lengvos gamybos, plačių medžiagų šaltinių ir mažos organinių medžiagų kainos jis turi didelę reikšmę plačiam saulės energijos naudojimui ir pigios elektros energijos tiekimui. Tačiau saulės elementų paruošimo organinėmis medžiagomis tyrimai dar tik pradėti. Ar iš jo galima sukurti praktinės reikšmės produktą, dar reikia toliau tirti ir ištirti.
4. Nanokristaliniai saulės elementai
Nanokristaliniai saulės elementai yra naujai sukurti. Jų pranašumai yra maža kaina, paprastas procesas ir stabilus veikimas. Jų fotoelektrinis efektyvumas yra stabilus ir siekia daugiau nei 10%, o gamybos sąnaudos yra tik 1/5–1/10 silicio saulės elementų. Gyvenimo trukmė gali siekti daugiau nei 20 metų. Tokių baterijų tyrimai ir kūrimas dar tik pradėti, o artimiausiu metu jie palaipsniui pateks į rinką.