Yếu tố chính của công nghệ quang điện là tế bào quang điện mặt trời. Sự phát triển của các tế bào quang điện mặt trời có thể được chia thành ba thế hệ. Thế hệ đầu tiên là pin mặt trời silicon; thế hệ thứ hai là pin mặt trời màng mỏng; các công nghệ mới như tế bào tập trung năng lượng cao, pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời linh hoạt và pin mặt trời nano nhạy cảm với thuốc nhuộm được gọi chung là pin mặt trời thế hệ thứ ba. Hiện tại, dòng chính là thế hệ pin mặt trời dựa trên silicon đầu tiên và thị phần của tế bào màng mỏng đang dần mở rộng. Ngoại trừ các tế bào tập trung năng lượng cao, hầu hết các tế bào thế hệ thứ ba vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển trong phòng thí nghiệm.
pin mặt trời silicon
Trong số các pin mặt trời silicon, công nghệ silicon đơn tinh thể là trưởng thành nhất. Hiệu quả và chi phí của các tế bào như vậy chủ yếu bị ảnh hưởng bởi quy trình sản xuất của chúng. Quy trình sản xuất chủ yếu được chia thành nhiều bước như đúc phôi, cắt lát, khuếch tán, tạo kết cấu, in lụa và thiêu kết. Hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời được tạo ra bởi quy trình phổ biến này nói chung là 16 phần trăm -18 phần trăm .
Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời silicon đơn tinh thể là cao nhất, nhưng giá thành cũng cao hơn. Pin mặt trời silicon đa tinh thể có thể giảm giá thành rất tốt. Ưu điểm là có thể sản xuất trực tiếp các thỏi silicon vuông kích thước lớn phù hợp với quy mô sản xuất lớn. Thiết bị tương đối đơn giản nên quy trình sản xuất đơn giản, tiết kiệm điện năng, tiết kiệm nguyên liệu silicon. Các yêu cầu vật liệu cũng tương đối thấp.
Ngoài việc giảm chi phí vật liệu và giá thành của pin mặt trời, nó chủ yếu đạt được thông qua hai khía cạnh: một là giảm vật tư tiêu hao, chẳng hạn như giảm độ dày của tấm silicon; hai là để cải thiện hiệu quả chuyển đổi. Các cách để cải thiện hiệu quả bao gồm các khía cạnh sau: Đầu tiên là tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, chẳng hạn như kết cấu bề mặt, chuẩn bị các lớp chống phản xạ và giảm chiều rộng của điện cực phía trước. Thứ hai là giảm sự tái hợp của các chất mang quang điện và cải thiện việc sử dụng photon, chẳng hạn như công nghệ thụ động hóa bộ phát. Thứ ba là giảm điện trở và tăng khả năng hấp thụ dòng quang của điện cực, chẳng hạn như công nghệ pha tạp phân vùng và điện trường ngược.
Kỷ lục hiện tại về hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời silicon đơn tinh thể là 24,7% do pin mặt trời cấu trúc PERL của Đại học New South Wales tạo ra. Các tính năng kỹ thuật của nó bao gồm: nồng độ pha tạp phốt pho trên bề mặt silicon thấp để giảm sự tái hợp của bề mặt và tránh sự tồn tại của các "lớp chết" trên bề mặt; khuếch tán tập trung cao cục bộ được sử dụng dưới các điện cực bề mặt phía trước và phía sau để giảm sự tái hợp của khu vực điện cực và tạo thành tiếp xúc Ohmic tốt; điện cực bề mặt phía trước được thu hẹp bởi quá trình quang khắc để tăng diện tích hấp thụ ánh sáng; điện cực bề mặt trước sử dụng kết hợp nhiều kim loại phù hợp hơn như titan, palladi và bạc để giảm điện trở tiếp xúc giữa điện cực và silicon; bề mặt trước và sau của pin sử dụng SiO2 và các phương pháp tiếp xúc điểm để giảm sự tái hợp bề mặt của các tế bào. Tuy nhiên, công nghệ vẫn chưa được công nghiệp hóa.
Ngoài công nghệ PERL, các công nghệ khác cũng có thể được sử dụng để nâng cao hiệu quả chuyển đổi. Chẳng hạn như tế bào da lộn có rãnh bề mặt và điện cực phía sau (EWT) của BP Solar thông qua công nghệ. Cái trước chủ yếu làm giảm chiều rộng của điện cực phía trước thông qua quy trình tạo rãnh bằng laser và tăng diện tích hấp thụ ánh sáng mặt trời, và sản xuất quy mô lớn có thể đạt hiệu suất 18,3%; Mặt sau, do đó làm tăng diện tích hấp thụ ánh sáng của mặt trước, có thể đạt hiệu suất 21,3 phần trăm .
Pin mặt trời màng mỏng
Pin mặt trời silicon tinh thể có hiệu suất cao và vẫn chiếm ưu thế trong các ứng dụng quy mô lớn và sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, do giá thành của vật liệu silicon tương đối cao nên rất khó giảm giá thành của nó. Để tìm giải pháp thay thế cho tế bào silicon tinh thể, pin mặt trời màng mỏng chi phí thấp đã xuất hiện. Pin màng mỏng phổ biến là pin màng mỏng dựa trên silicon, pin màng mỏng cadmium Telluride (CdTe) và pin màng mỏng đồng indium gallium selenide (CIGS).
Độ dày của các tế bào màng mỏng dựa trên silicon chỉ là 2 micron. So với các tế bào silicon tinh thể có độ dày khoảng 180 micron, lượng vật liệu silicon chỉ bằng khoảng 1,5% so với các tế bào silicon tinh thể và giá thành thấp. Theo số lượng các mối nối PN được bao gồm, các tế bào màng mỏng dựa trên silicon được chia thành các tế bào một mối nối, các tế bào hai mối nối và các tế bào nhiều mối nối. Các mối nối PN khác nhau có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời có bước sóng khác nhau. Hiện tại, hiệu suất cao nhất của các tế bào một mối nối có thể đạt tới 7 phần trăm và các tế bào hai mối nối có thể đạt tới 10 phần trăm.
Do tốc độ hấp thụ ánh sáng tốt của vật liệu, hiệu suất chuyển đổi của các tế bào màng mỏng cadmium Telluride cao hơn so với các tế bào màng mỏng dựa trên silicon và hiệu suất hiện tại có thể đạt tới 12 phần trăm . Tuy nhiên, nguyên tố cadmium có tác dụng gây ung thư và trữ lượng Tellurium tự nhiên có hạn, điều này hạn chế sự phát triển lâu dài của loại pin này.
Pin màng mỏng đồng indium gallium selenide được coi là hướng phát triển trong tương lai của pin màng mỏng hiệu suất cao, có thể cải thiện tốc độ hấp thụ ánh sáng mặt trời bằng cách điều chỉnh quy trình sản xuất, từ đó cải thiện hiệu suất chuyển đổi. Hiện tại, hiệu suất chuyển đổi của phòng thí nghiệm có thể đạt tới 20,1 phần trăm và hiệu suất của sản phẩm có thể đạt tới 13-14 phần trăm, đây là mức cao nhất trong số tất cả các loại pin màng mỏng.
Pin mặt trời thế hệ thứ ba
Các tế bào thế hệ thứ ba về mặt lý thuyết có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Ở giai đoạn này, ngoại trừ các tế bào tập trung, hầu hết chúng vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Các tế bào tập trung thường sử dụng vật liệu bán dẫn III-V, chủ yếu là do chất bán dẫn III-V có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn nhiều so với silicon, vẫn có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao dưới ánh sáng mạnh và cấu trúc đa tiếp giáp tạo nên phổ hấp thụ và phổ ánh sáng mặt trời của chúng gần giống nhau và hiệu suất chuyển đổi theo lý thuyết có thể đạt tới 68 phần trăm . Hiện tại, ba điểm nối PN được hình thành bởi ba vật liệu bán dẫn khác nhau, germani, gali arsenua và phốt pho gali indi. Nếu tiến hành sản xuất quy mô lớn, hiệu quả có thể đạt hơn 40%.
Pin mặt trời được đóng gói thành các mô-đun năng lượng mặt trời và việc áp dụng các loại pin mặt trời khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm riêng của chúng và sự phát triển của nhu cầu thị trường. Ban đầu, năng lượng mặt trời chủ yếu được sử dụng trong các trạm cơ sở liên lạc và vệ tinh nhân tạo, sau đó dần dần đi vào lĩnh vực dân sự, chẳng hạn như mái nhà năng lượng mặt trời. Trong các kịch bản này, diện tích lắp đặt nhỏ và yêu cầu về mật độ năng lượng cao, do đó, các mô-đun silicon tinh thể chiếm thị phần chính. Với sự phát triển của các nhà máy điện sa mạc năng lượng mặt trời quy mô lớn và các tòa nhà quang điện, chi phí toàn diện đã dần thay thế mật độ năng lượng như một yếu tố quan trọng cần xem xét và ứng dụng của pin màng mỏng đang gia tăng. Ngoài ra, việc áp dụng các công nghệ khác nhau còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như môi trường sử dụng và điều kiện khí hậu.
