Solarzellen sind eine Art photoelektrisches Element, das Energie umwandeln kann. Ihre Grundstruktur wird durch die Kombination von Halbleitern des P-Typs und des N-Typs gebildet. Das grundlegendste Material für Halbleiter ist „Silizium“, das nicht leitend ist. Wenn den Halbleitern jedoch verschiedene Verunreinigungen hinzugefügt werden, können Halbleiter des P-Typs und des N-Typs hergestellt werden. Dann wird die Potentialdifferenz zwischen dem Halbleiter des P-Typs mit einem Loch (dem Halbleiter des P-Typs fehlt ein negativ geladenes Elektron, was als zusätzliche positive Ladung angesehen werden kann) und dem Halbleiter des N-Typs mit einem zusätzlichen freien Elektron zur Stromerzeugung genutzt. Wenn Sonnenlicht scheint, regt die Lichtenergie daher die Elektronen in den Siliziumatomen an und erzeugt eine Konvektion von Elektronen und Löchern. Diese Elektronen und Löcher werden durch das eingebaute Potential beeinflusst und jeweils von den Halbleitern des N-Typs und des P-Typs angezogen und sammeln sich an beiden Enden. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Außenseite mit Elektroden verbunden ist, um einen Stromkreis zu bilden, ist dies das Prinzip der Stromerzeugung durch Solarzellen.
Solarzellen können je nach Kristallzustand in zwei Kategorien unterteilt werden: kristalliner Dünnschichttyp und nichtkristalliner Dünnschichttyp (nachfolgend als a- bezeichnet), wobei ersterer weiter in Einkristalltyp und polykristalliner Typ unterteilt wird.
Je nach Material können sie in Silizium-Dünnschichttypen, Verbindungshalbleiter-Dünnschichttypen und organische Schichttypen unterteilt werden, und Verbindungshalbleiter-Dünnschichttypen werden weiter in nichtkristalline Typen (a-Si:H, a-Si:H:F, a-SixGel-x:H usw.), IIIV-Gruppe (GaAs, InP usw.), IIVI-Gruppe (Cds-Reihe) und Zinkphosphid (Zn3p2) usw. unterteilt.
Je nach den verwendeten Materialien können Solarzellen auch in folgende Gruppen unterteilt werden: Silizium-Solarzellen, Mehrschicht-Dünnschicht-Solarzellen, Solarzellen mit mehrschichtigen Polymerelektroden, nanokristalline Solarzellen, organische Solarzellen und Kunststoff-Solarzellen. Silizium-Solarzellen sind am weitesten verbreitet und weisen die meisten Anwendungen auf.
1. Silizium-Solarzellen
Silizium-Solarzellen werden in drei Typen unterteilt: einkristalline Silizium-Solarzellen, polykristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen und amorphe Silizium-Dünnschicht-Solarzellen.
(1) Solarzellen aus einkristallinem Silizium haben den höchsten Umwandlungswirkungsgrad und die ausgereifteste Technologie. Der höchste Umwandlungswirkungsgrad im Labor beträgt 24,7 %, und der Wirkungsgrad bei der Produktion im großen Maßstab beträgt 15 % (Stand 2011: 18 %). Bei großtechnischen Anwendungen und der industriellen Produktion nimmt es nach wie vor eine dominierende Stellung ein, aber aufgrund der hohen Kosten für einkristallines Silizium ist es schwierig, seine Kosten deutlich zu senken. Um Siliziummaterial einzusparen, wurden als Alternativen zu einkristallinen Silizium-Solarzellen polykristalline Silizium-Dünnschichten und amorphe Silizium-Dünnschichten entwickelt.
(2) Im Vergleich zu einkristallinem Silizium sind polykristalline Silizium-Dünnschichtsolarzellen billiger und effizienter als amorphe Silizium-Dünnschichtzellen. Ihr höchster Umwandlungswirkungsgrad im Labor beträgt 18 %, und der Umwandlungswirkungsgrad bei der Produktion im industriellen Maßstab beträgt 10 % (im Jahr 2011 lag er bei 17 %). Daher werden polykristalline Silizium-Dünnschichtzellen bald eine dominierende Stellung auf dem Solarzellenmarkt einnehmen.
(3) Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium sind kostengünstig und leicht, haben einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, lassen sich leicht in Massen produzieren und haben großes Potenzial. Aufgrund des durch das Material verursachten Rückgangs der photoelektrischen Effizienz ist ihre Stabilität jedoch nicht hoch, was sich direkt auf ihre praktische Anwendung auswirkt. Wenn das Stabilitätsproblem weiter gelöst und das Problem der Umwandlungsrate verbessert werden kann, werden Solarzellen aus amorphem Silizium zweifellos eines der wichtigsten Entwicklungsprodukte von Solarzellen sein.
2. Kristalline Dünnschicht-Solarzellen
Polykristalline Dünnschichtzellen Polykristalline Dünnschichtzellen aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid sind effizienter als Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium, billiger als monokristalline Siliziumzellen und lassen sich leicht in Massen produzieren. Cadmium ist jedoch hochgiftig und verursacht ernsthafte Umweltverschmutzung. Daher sind sie nicht die ideale Alternative zu kristallinen Siliziumsolarzellen.
Die Umwandlungseffizienz von Galliumarsenid (GaAs) III-V-Verbindungszellen kann bis zu 28 % erreichen. GaAs-Verbindungsmaterialien haben eine sehr ideale optische Bandlücke und eine hohe Absorptionseffizienz, sind stark strahlungsbeständig und hitzeunempfindlich. Sie eignen sich zur Herstellung hocheffizienter Einzelübergangszellen. Der Preis von GaAs-Materialien ist jedoch hoch, was die Popularität von GaAs-Zellen stark einschränkt.
Kupfer-Indium-Diselenid-Dünnschichtzellen (kurz CIS) eignen sich für die photoelektrische Umwandlung, haben nicht das Problem der lichtinduzierten Degradation und haben die gleiche Umwandlungseffizienz wie polykristallines Silizium. Mit den Vorteilen des niedrigen Preises, der guten Leistung und der einfachen Verarbeitung wird dies in Zukunft eine wichtige Richtung für die Entwicklung von Solarzellen sein. Das einzige Problem ist die Materialquelle. Da Indium und Selen relativ seltene Elemente sind, ist die Entwicklung dieses Batterietyps zwangsläufig begrenzt.
3. Organische Polymer-Solarzellen
Der Ersatz anorganischer Materialien durch organische Polymere ist eine neu entwickelte Forschungsrichtung für die Herstellung von Solarzellen. Aufgrund der Vorteile der hohen Flexibilität, der einfachen Herstellung, der breiten Materialquellen und der niedrigen Kosten organischer Materialien ist dies von großer Bedeutung für die großflächige Nutzung von Solarenergie und die Bereitstellung von billigem Strom. Die Forschung zur Herstellung von Solarzellen mit organischen Materialien hat jedoch gerade erst begonnen. Ob daraus ein Produkt mit praktischer Bedeutung entwickelt werden kann, muss noch weiter untersucht und erforscht werden.
4. Nanokristalline Solarzellen
Nanokristalline Solarzellen sind eine neue Entwicklung. Ihre Vorteile sind ihre niedrigen Kosten, die einfache Herstellung und die stabile Leistung. Ihr photoelektrischer Wirkungsgrad liegt stabil bei über 10 % und die Produktionskosten betragen nur 1/5 bis 1/10 der Kosten von Silizium-Solarzellen. Die Lebensdauer kann mehr als 20 Jahre betragen. Die Forschung und Entwicklung solcher Batterien hat gerade erst begonnen und sie werden in naher Zukunft schrittweise auf den Markt kommen.