תאים סולאריים הם סוג של אלמנט פוטו-אלקטרי שיכול להמיר אנרגיה. המבנה הבסיסי שלהם נוצר על ידי שילוב מוליכים למחצה מסוג P וסוג N. החומר הבסיסי ביותר של מוליכים למחצה הוא "סיליקון", שאינו מוליך. עם זאת, אם מוסיפים זיהומים שונים למוליכים למחצה, ניתן לייצר מוליכים למחצה מסוג P ו-N. לאחר מכן, הפרש הפוטנציאלים בין המוליך למחצה מסוג P עם חור (למוליך למחצה מסוג P חסר אלקטרון בעל מטען שלילי, שניתן להתייחס אליו כמטען חיובי נוסף) לבין המוליך למחצה מסוג N עם אלקטרון חופשי נוסף. לייצר זרם. לכן, כאשר אור השמש זורח, אנרגיית האור מעוררת את האלקטרונים באטומי הסיליקון, ומייצרת הסעה של אלקטרונים וחורים. האלקטרונים והחורים הללו מושפעים מהפוטנציאל המובנה ונמשכים על ידי מוליכים למחצה מסוג N וסוג P בהתאמה, ומתאספים בשני הקצוות. בשלב זה, אם החלק החיצוני מחובר עם אלקטרודות כדי ליצור מעגל, זהו העיקרון של ייצור חשמל בתאים סולאריים.
ניתן לחלק תאים סולאריים לשתי קטגוריות בהתאם למצב הגבישי שלהם: סוג סרט דק גבישי וסוג סרט דק לא גבישי (להלן א-), והראשונה מחולקת עוד יותר לסוג גביש יחיד וסוג רב גבישי.
על פי החומר, ניתן לחלק אותם לסוג סרט דק סיליקון, סוג סרט דק מוליך למחצה מורכב וסוג סרט אורגני, וסוג סרט דק מורכב מוליכים למחצה מחולקים עוד יותר לסוג לא גבישי (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H וכו'), קבוצת IIIV (GaAs, InP וכו'), קבוצת IIVI (סדרת Cds) ופוספיד אבץ (Zn3p2) וכו'.
על פי החומרים השונים בהם נעשה שימוש, ניתן לחלק את התאים הסולאריים ל: תאים סולאריים סיליקון, תאים סולריים סרט דק רב-תרכובים, תאים סולאריים מולטי שכבתי פולימריים, תאים סולאריים ננו-גבישיים, תאים סולאריים אורגניים, תאים סולאריים מפלסטיק, ביניהם סיליקון סולארי. התאים הם הבוגרים ביותר ושולטים ביישומים.
1. תאים סולאריים סיליקון
תאים סולריים סיליקון מחולקים לשלושה סוגים: תאים סולריים סיליקון קריסטל יחיד, תאים סולריים סרט דק סיליקון פולי-גבישי ותאים סולריים סרט דק סיליקון אמורפי.
(1) לתאים סולריים סיליקון קריסטל יחיד יש את יעילות ההמרה הגבוהה ביותר ואת הטכנולוגיה הבוגרת ביותר. יעילות ההמרה הגבוהה ביותר במעבדה היא 24.7%, והיעילות בייצור בקנה מידה גדול היא 15% (נכון לשנת 2011 היא 18%). הוא עדיין תופס עמדה דומיננטית ביישומים בקנה מידה גדול ובייצור תעשייתי, אך בשל העלות הגבוהה של סיליקון חד גבישי, קשה להוזיל את עלותו באופן משמעותי. על מנת לחסוך בחומרי סיליקון, פותחו סרט דק סיליקון רב גבישי וסרט דק סיליקון אמורפי כחלופות לתאי שמש סיליקון חד גבישי.
(2) בהשוואה לסיליקון חד גבישי, תאים סולריים סרט דק סיליקון פוליגריסטלי הם זולים ויעילים יותר מתאי סרט דק סיליקון אמורפי. יעילות ההמרה המעבדתית הגבוהה ביותר שלו היא 18%, ויעילות ההמרה של ייצור בקנה מידה תעשייתי היא 10% (נכון לשנת 2011, היא 17%). לכן, תאי סרט דק סיליקון רב גבישי יתפסו בקרוב עמדה דומיננטית בשוק התאים הסולאריים.
(3) תאים סולריים סרט דק סיליקון אמורפי הם בעלי עלות נמוכה וקלים במשקל, בעלי יעילות המרה גבוהה, קלים לייצור המוני ובעלי פוטנציאל רב. עם זאת, בשל אפקט דעיכת היעילות הפוטואלקטרית הנגרמת על ידי החומר שלו, היציבות שלו אינה גבוהה, מה שמשפיע ישירות על היישום המעשי שלו. אם ניתן לפתור את בעיית היציבות עוד יותר ולשפר את בעיית יחס ההמרה, אז תאים סולאריים מסוג סיליקון אמורפי יהיו ללא ספק אחד ממוצרי הפיתוח העיקריים של תאים סולאריים.
2. תאים סולריים בסרט דק קריסטלי
תאי סרט דק פולי-גבישי קדמיום גופרתי וקדמיום טלוריד פולי-גבישי סרט דק תאים יעילים יותר מתאי שמש מסוג סיליקון דק אמורפי, זולים יותר מתאי סיליקון חד-גבישיים וקלים לייצור המוני. עם זאת, קדמיום רעיל מאוד ויגרום לזיהום סביבתי חמור. לכן, זה לא האלטרנטיבה האידיאלית ביותר לתאי סולרי סיליקון גבישי.
יעילות ההמרה של תאי תרכובת גליום ארסניד (GaAs) III-V יכולה להגיע ל-28%. לחומרים מורכבים של GaAs יש פער פס אופטי אידיאלי מאוד ויעילות ספיגה גבוהה, עמידות חזקה לקרינה ואינם רגישים לחום. הם מתאימים לייצור תאים חד-צומתים בעלי יעילות גבוהה. עם זאת, המחיר של חומרי GaAs גבוה, מה שמגביל מאוד את הפופולריות של תאי GaAs.
תאי סרט דק נחושת אינדיום סלניד (בקיצור CIS) מתאימים להמרה פוטו-אלקטרית, אין להם בעיה של פירוק הנגרמת על ידי אור, ובעלי יעילות המרה זהה לסיליקון פוליקריסטלי. עם היתרונות של מחיר נמוך, ביצועים טובים ותהליך פשוט, זה יהפוך לכיוון חשוב לפיתוח תאים סולאריים בעתיד. הבעיה היחידה היא מקור החומר. מכיוון שאינדיום וסלניום הם יסודות נדירים יחסית, הפיתוח של סוללות מסוג זה מוגבל בהכרח.
3. תאים סולאריים פולימריים אורגניים
החלפת חומרים אנאורגניים בפולימרים אורגניים היא כיוון מחקר חדש שפותח לייצור תאים סולאריים. בשל היתרונות של גמישות טובה, ייצור קל, מקורות חומרים רחבים ועלות נמוכה של חומרים אורגניים, יש לו משמעות רבה לשימוש בקנה מידה גדול באנרגיה סולארית ואספקת חשמל זול. עם זאת, המחקר על הכנת תאים סולאריים עם חומרים אורגניים רק החל. האם ניתן לפתח אותו למוצר בעל משמעות מעשית נותר לחקור ולחקור.
4. תאים סולאריים ננו-גבישיים
תאים סולאריים ננו-גבישיים פותחו לאחרונה. היתרונות שלהם הם העלות הנמוכה, התהליך הפשוט והביצועים היציבים. היעילות הפוטואלקטרית שלהם יציבה ביותר מ-10%, ועלות הייצור היא רק 1/5 עד 1/10 מזו של תאים סולאריים מסיליקון. תוחלת החיים יכולה להגיע ליותר מ-20 שנה. המחקר והפיתוח של סוללות כאלה רק החלו, והן ייכנסו לשוק בהדרגה בעתיד הקרוב.