Nøkkelelementet i fotovoltaisk teknologi er solcellecellen. Utviklingen av solcelleceller kan grovt sett deles inn i tre generasjoner. Første generasjon er silisiumsolceller; andre generasjon er tynnfilmsolceller; nye teknologier som høyeffekts konsentrerende celler, organiske solceller, fleksible solceller og fargestoffsensibiliserte nanosolceller omtales samlet som tredje generasjons solceller. For tiden er mainstream den første generasjonen silisiumbaserte solceller, og markedsandelen for tynnfilmceller utvides gradvis. Bortsett fra konsentratorceller med høy effekt, er de fleste av tredjegenerasjonscellene fortsatt i laboratorieforsknings- og utviklingsstadiet.
Silisium solceller
Blant silisiumsolceller er monokrystallinsk silisiumteknologi den mest modne. Effektiviteten og kostnadene til slike celler påvirkes først og fremst av deres produksjonsprosesser. Produksjonsprosessen er hovedsakelig delt inn i flere trinn som ingot-støping, skjæring, diffusjon, teksturering, silketrykk og sintring. Den fotoelektriske konverteringseffektiviteten til solceller produsert ved denne vanlige prosessen er vanligvis 16 prosent -18 prosent.
Konverteringseffektiviteten til monokrystallinske silisiumsolceller er høyest, men kostnadene er også høyere. Polykrystallinske silisiumsolceller kan redusere kostnadene veldig bra. Fordelen er at den direkte kan produsere firkantede silisiumblokker i stor størrelse som er egnet for storskala produksjon. Utstyret er relativt enkelt, så produksjonsprosessen er enkel, strømbesparende og silisiummaterialbesparende. Materialkravene er også relativt lave.
I tillegg til å redusere kostnadene for materialer og kostnadene for solceller, oppnås det hovedsakelig gjennom to aspekter: det ene er å redusere forbruksvarer, for eksempel å redusere tykkelsen på silisiumskiver; den andre er å forbedre konverteringseffektiviteten. Måtene å forbedre effektiviteten på inkluderer følgende aspekter: Den første er å øke absorpsjonen av lys, for eksempel overflateteksturering, klargjøring av antirefleksjonslag og redusering av bredden på frontelektroden. Den andre er å redusere rekombinasjonen av fotogenererte bærere og forbedre fotonutnyttelsen, for eksempel emitterpassiveringsteknologi. Den tredje er å redusere motstanden og øke absorpsjonen av fotostrømmen av elektroden, slik som partisjonsdoping og bakelektrisk feltteknologi.
Den nåværende rekorden for den fotoelektriske konverteringseffektiviteten til monokrystallinske silisiumsolceller er 24,7 prosent opprettet av University of New South Wales' PERL-struktur solceller. Dens tekniske funksjoner inkluderer: konsentrasjonen av fosfordoping på silisiumoverflaten er lav for å redusere rekombinasjonen av overflaten og unngå eksistensen av "døde lag" på overflaten; lokal høykonsentrasjonsdiffusjon brukes under de fremre og bakre overflateelektrodene for å redusere rekombinasjonen av elektrodeområdet og danne en god ohmsk kontakt; den fremre overflateelektroden er innsnevret av fotolitografiprosessen for å øke lysabsorpsjonsområdet; den fremre overflateelektroden bruker en kombinasjon av mer matchende metaller som titan, palladium og sølv for å redusere kontaktmotstanden mellom elektroden og silisium; de fremre og bakre overflatene av batteriet bruker SiO2 og punktkontaktmetoder for å redusere overflaterekombinasjon av celler. Teknologien har imidlertid ennå ikke blitt industrialisert.
I tillegg til PERL-teknologi kan andre teknologier også brukes for å forbedre konverteringseffektiviteten. Slik som BP Solars overflaterillede semsket skinncelle og bakelektrode (EWT) gjennom teknologi. Førstnevnte reduserer hovedsakelig bredden på frontelektroden gjennom lasersporingsprosessen og øker absorpsjonsområdet for sollys, og storskalaproduksjonen kan oppnå en effektivitet på 18,3 prosent; Baksiden, som dermed øker lysabsorpsjonsområdet på forsiden, kan oppnå en effektivitet på 21,3 prosent.
Tynnfilm solceller
Krystallinske silisiumsolceller er svært effektive og dominerer fortsatt i storskalaapplikasjoner og industriell produksjon. På grunn av den relativt høye prisen på silisiummaterialer er det imidlertid svært vanskelig å redusere kostnadene betydelig. For å finne alternativer til krystallinske silisiumceller har det dukket opp rimeligere tynnfilmsolceller. De vanlige tynnfilmbatteriene er silisiumbaserte tynnfilmbatterier, kadmiumtellurid (CdTe) tynnfilmbatterier og kobberindiumgalliumselenid (CIGS) tynnfilmbatterier.
Tykkelsen på silisiumbaserte tynnfilmceller er bare 2 mikron. Sammenlignet med krystallinske silisiumceller med en tykkelse på ca. 180 mikron, er mengden silisiummateriale bare ca. 1,5 prosent av krystallinske silisiumceller, og kostnadene er lave. I henhold til antall inkluderte PN-kryss, er silisiumbaserte tynnfilmceller delt inn i single-junction-celler, double-junction-celler og multi-junction-celler. Ulike PN-kryss kan absorbere sollys med forskjellige bølgelengder. For øyeblikket kan den høyeste effektiviteten til enkeltkryssceller nå 7 prosent, og dobbeltkryssceller kan nå 10 prosent.
På grunn av den gode lysabsorpsjonshastigheten til materialet, er konverteringseffektiviteten til kadmiumtellurid tynnfilmceller høyere enn for silisiumbaserte tynnfilmceller, og den nåværende effektiviteten kan nå 12 prosent. Grunnstoffet kadmium har imidlertid kreftfremkallende effekter og de naturlige reservene av tellur er begrenset, noe som begrenser den langsiktige utviklingen av dette batteriet.
Kobberindium gallium selenid tynnfilmbatterier anses å være den fremtidige utviklingsretningen for høyeffektive tynnfilmbatterier, som kan forbedre absorpsjonshastigheten til sollys ved å justere produksjonsprosessen, og dermed forbedre konverteringseffektiviteten. For tiden kan konverteringseffektiviteten til laboratoriet nå 20,1 prosent , og produkteffektiviteten kan nå 13-14 prosent , som er den høyeste blant alle tynnfilmsbatterier.
Tredje generasjons solceller
Tredje generasjons celler kan teoretisk oppnå høyere konverteringseffektivitet. På dette stadiet, bortsett fra konsentratorceller, er de fleste fortsatt i laboratorieforskningsstadiet.
Konsentratorceller bruker generelt III-V-halvledermaterialer, hovedsakelig fordi III-V-halvledere har mye høyere høytemperaturmotstand enn silisium, fortsatt har høy fotoelektrisk konverteringseffektivitet under høy belysning, og multi-junction-strukturen gjør deres Absorpsjonsspektrum og sollysspekteret. er nær det samme, og den teoretiske konverteringseffektiviteten kan nå 68 prosent . For tiden er tre PN-kryss dannet av tre forskjellige halvledermaterialer, germanium, galliumarsenid og gallium indiumfosfor. Hvis det utføres storskala produksjon, kan effektiviteten komme opp i over 40 prosent.
Solceller pakkes inn i solcellemoduler, og bruken av ulike solceller avhenger av deres egne egenskaper og utviklingen i markedets etterspørsel. I de tidlige dagene ble solenergi hovedsakelig brukt i kommunikasjonsbasestasjoner og kunstige satellitter, og kom senere gradvis inn på det sivile området, for eksempel soltak. I disse scenariene er installasjonsområdet lite og kravet til energitetthet er høyt, så krystallinske silisiummoduler opptar hovedmarkedsandelen. Med utviklingen av storskala solenergi-ørkenkraftverk og solcellebygg, har omfattende kostnader gradvis erstattet energitetthet som en viktig faktor å vurdere, og bruken av tynnfilmsbatterier er på vei oppover. I tillegg påvirkes anvendelsen av ulike teknologier også av andre faktorer som bruksmiljø og klimatiske forhold.
