Når lys skinner på en fotovoltaisk (PV) celle, kanskje best kjent som en solcelle, kan dette lyset reflekteres, absorberes eller passere rett gjennom cellen. PV-cellen er sammensatt av det som kalles for «semiconductor materials» eller halvledermateriale. «Semi» betyr at den kan lede elektrisitet bedre enn en isolator, men ikke så godt som en god leder som for eksempel et metall. Det er flere forskjellige halvledermaterialer som brukes i PV-celler.
Når halvlederen utsettes for lys, absorberer den lysets energi og overfører den til negativt ladede partikler i materialet som kalles elektroner. Denne ekstra energien lar elektronene strømme gjennom materialet som en elektrisk strøm. Denne strømmen trekkes ut gjennom ledende metallkontakter, de nettlignende linjene på en solcelle, og kan deretter brukes til å drive hjemmet ditt og resten av det elektriske nettet.
Effektiviteten til en PV-celle er ganske enkelt mengden elektrisk kraft som kommer ut av cellen sammenlignet med energien fra lyset som skinner på den, noe som indikerer hvor effektiv cellen er til å konvertere energi fra den ene formen til den andre. Mengden elektrisitet som produseres fra PV-celler avhenger av egenskapene (som intensitet og bølgelengder) til det tilgjengelige lyset og flere ytelsesattributter til cellen.
En viktig egenskap ved PV-halvledere er båndgapet, som indikerer hvilke bølgelengder av lys materialet kan absorbere og konvertere til elektrisk energi. Hvis halvlederens båndgap samsvarer med bølgelengdene til lyset som skinner på PV-cellen, kan den cellen effektivt utnytte all tilgjengelig energi.
Silisium
Silisium er uten tvil det vanligste halvledermaterialet som brukes i solceller, og representerer omtrent 95 % av modulene som selges i dag. Det er også det nest mest rike materialet på jorden (etter oksygen) og den vanligste halvlederen som brukes i databrikker. Krystallinske silisiumceller er laget av silisiumatomer koblet til hverandre for å danne et krystallgitter. Dette gitteret gir en organisert struktur som gjør konvertering av lys til elektrisitet mer effektiv.
Solceller laget av silisium gir i dag en kombinasjon av høy effektivitet, lave kostnader og lang levetid. Moduler forventes å vare i 25 år eller mer, og fortsatt produsere mer enn 80 % av sin opprinnelige kraft etter dette tidspunktet.
Tynnfilmsolcelle
En tynnfilmsolcelle lages ved å avsette ett eller flere tynne lag med PV-materiale på et bæremateriale som glass, plast eller metall. Det er to hovedtyper av tynnfilm halvledere på markedet i dag: kadmiumtellurid og kobberindiumgalliumdiselenid. Begge materialene kan avsettes direkte på enten forsiden eller baksiden av moduloverflaten til et solcellepanel.
CdTe er det nest vanligste PV-materialet etter silisium, og CdTe-celler kan lages ved å bruke rimelige produksjonsprosesser. Selv om dette gjør dem til et kostnadseffektivt alternativ, er effektiviteten deres fortsatt ikke fullt så høy som silisium. CIGS-celler har optimale egenskaper for et PV-materiale og høy effektivitet i laboratoriet, men kompleksiteten ved å kombinere fire elementer gjør overgangen fra lab til produksjon mer utfordrende. Både CdTe og CIGS krever mer beskyttelse enn silisium for å muliggjøre langvarig drift utendørs.
Perovskitt solceller
Perovskitt solceller er en type tynnfilmceller og er oppkalt etter deres karakteristiske krystallstruktur. Perovskittceller er bygget med lag av materialer som er trykt, belagt eller vakuumavsatt på et underliggende lag, kjent som underlaget. De er vanligvis enkle å montere og kan nå effektiviteter som ligner på krystallinsk silisium. I laboratoriet har perovskitt-solcelleeffektiviteten forbedret seg raskere enn noe annet PV-materiale, fra 3 % i 2009 til over 25 % i 2020. For å være kommersielt levedyktige, må perovskitt PV-celler bli stabile nok til å overleve 20 år utendørs, så forskere jobber med å gjøre dem mer holdbare og utvikler storskala, rimelige produksjonsteknikker.
Organiske PV
Organiske PV, eller OPV, celler er sammensatt av karbonrike (organiske) forbindelser og kan skreddersys for å forbedre en spesifikk funksjon av PV-cellen, for eksempel båndgap, gjennomsiktighet eller farge. OPV-celler er for tiden bare halvparten så effektive som krystallinske silisiumceller og har kortere levetid, men kan være rimeligere å produsere i store volumer. De kan også brukes på en rekke støttematerialer, for eksempel fleksibel plast, noe som gjør OPV i stand til å tjene en lang rekke bruksområder.
Kvantemidler
Kvanteprikksolceller leder elektrisitet gjennom bittesmå partikler av forskjellige halvledermaterialer bare noen få nanometer brede, kalt kvanteprikker. Kvanteprikker gir en ny måte å behandle halvledermaterialer på, men det er vanskelig å lage en elektrisk forbindelse mellom dem, så de er foreløpig ikke veldig effektive. Imidlertid er de enkle å lage til solceller. De kan avsettes på et underlag ved hjelp av en spin-coat-metode, en spray eller rull-til-rull-skrivere som de som brukes til å trykke aviser.
Kvanteprikker kommer i forskjellige størrelser, og båndgapet deres kan tilpasses, slik at de kan samle lys som er vanskelig å fange og pares med andre halvledere, som perovskitter, for å optimere ytelsen til en solcelle med flere overganger (mer om de nedenfor).
Multifunksjonssolceller
En annen strategi for å forbedre PV-celleeffektiviteten er lagdeling av flere halvledere for å lage multijunction solceller. Disse cellene er i hovedsak stabler av forskjellige halvledermaterialer, i motsetning til enkeltkryssceller, som bare har en halvleder. Hvert lag har et annet båndgap, så de absorberer hver sin del av solspekteret, og utnytter sollys i større grad enn celler med enkeltkryss. Multifunksjon solceller kan nå rekordeffektivitetsnivåer fordi lyset som ikke blir absorbert av det første halvlederlaget, fanges opp av et lag under det.
Mens alle solceller med mer enn ett båndgap er multifunksjon solceller, kalles en solcelle med nøyaktig to båndgap en tandemsolcelle. Multifunksjon solceller som kombinerer halvledere fra kolonne III og V i det periodiske systemet kalles multifunksjon III-V solceller.
Multifunksjon solceller har vist effektivitet høyere enn 45%, men de er kostbare og vanskelige å produsere, så de er reservert for romutforskning. Forsvaret bruker III-V solceller i droner, og forskere utforsker andre bruksområder for dem der høy effektivitet er nøkkelen.
Konsentrert PV
Konsentrasjon PV, også kjent som CPV, fokuserer sollys på en solcelle ved å bruke et speil eller en linse. Ved å fokusere sollys på et lite område, kreves det mindre PV-materiale. PV-materialer blir mer effektive etter hvert som lyset blir mer konsentrert, så den høyeste totale effektiviteten oppnås med CPV-celler og -moduler. Det kreves imidlertid dyrere materialer, produksjonsteknikker og evne til å spore solens bevegelser, så det har blitt utfordrende å demonstrere den nødvendige kostnadsfordelen i forhold til dagens høyvolums silisiummoduler.