Sončne celice so vrsta fotoelektričnega elementa, ki lahko pretvarja energijo. Njihova osnovna struktura je oblikovana s kombinacijo polprevodnikov tipa P in tipa N. Najosnovnejši material polprevodnikov je "silicij", ki je neprevoden. Če pa polprevodnikom dodamo različne nečistoče, lahko izdelamo polprevodnike tipa P in N. Nato se potencialna razlika med polprevodnikom tipa P z luknjo (polprevodniku tipa P manjka negativno nabit elektron, ki ga lahko obravnavamo kot dodatni pozitivni naboj) in polprevodnikom tipa N z dodatnim prostim elektronom uporabimo za ustvarjajo tok. Zato, ko sije sončna svetloba, svetlobna energija vzbudi elektrone v atomih silicija in povzroči konvekcijo elektronov in lukenj. Na te elektrone in luknje vpliva vgrajeni potencial, privlačijo pa jih polprevodniki tipa N oziroma P in se zbirajo na obeh koncih. V tem času, če je zunanjost povezana z elektrodami, da tvorijo vezje, je to načelo proizvodnje energije sončnih celic.
Sončne celice lahko razdelimo v dve kategoriji glede na njihovo kristalno stanje: kristalni tankoslojni tip in nekristalni tankoslojni tip (v nadaljevanju a-), prvi pa se nadalje deli na monokristalni tip in polikristalni tip.
Glede na material jih lahko razdelimo na silicijevo tankoplastno vrsto, sestavljeno polprevodniško tankoplastno vrsto in organsko filmsko vrsto, sestavljeno polprevodniško tankoplastno vrsto pa nadalje razdelimo na nekristalno vrsto (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H itd.), skupina IIIV (GaAs, InP itd.), skupina IIVI (serija Cds) in cinkov fosfid (Zn3p2) itd.
Glede na različne uporabljene materiale lahko sončne celice razdelimo tudi na: silicijeve sončne celice, večkompoundne tankoslojne sončne celice, polimerne večplastne modificirane elektrodne sončne celice, nanokristalne sončne celice, organske sončne celice, plastične sončne celice, med katerimi so silicijeve sončne celice. celice so najbolj zrele in prevladujejo v aplikacijah.
1. Silicijeve sončne celice
Silicijeve sončne celice delimo na tri vrste: enokristalne silicijeve sončne celice, polikristalne silicijeve tankoslojne sončne celice in amorfne silicijeve tankoslojne sončne celice.
(1) Enokristalne silicijeve sončne celice imajo najvišjo učinkovitost pretvorbe in najbolj zrelo tehnologijo. Najvišji izkoristek pretvorbe v laboratoriju je 24,7 %, izkoristek v velikoserijski proizvodnji pa 15 % (leta 2011 je 18 %). Še vedno ima prevladujoč položaj v obsežnih aplikacijah in industrijski proizvodnji, vendar je zaradi visokih stroškov monokristalnega silicija težko bistveno zmanjšati njegove stroške. Da bi prihranili silicijeve materiale, so razvili tanek film iz polikristalnega silicija in tanek film iz amorfnega silicija kot alternativo sončnim celicam iz enokristalnega silicija.
(2) V primerjavi z enokristalnim silicijem so tankoslojne sončne celice iz polikristalnega silicija cenejše in učinkovitejše od tankoslojnih celic iz amorfnega silicija. Njegova najvišja laboratorijska učinkovitost pretvorbe je 18 %, učinkovitost pretvorbe industrijske proizvodnje pa 10 % (od leta 2011 je 17 %). Zato bodo tankoslojne celice iz polikristalnega silicija kmalu zavzele prevladujoč položaj na trgu sončnih celic.
(3) Tankoslojne sončne celice iz amorfnega silicija so poceni in lahke, z visoko učinkovitostjo pretvorbe, enostavne za masovno proizvodnjo in imajo velik potencial. Vendar pa zaradi učinka upadanja fotoelektrične učinkovitosti, ki ga povzroča njegov material, njegova stabilnost ni visoka, kar neposredno vpliva na njegovo praktično uporabo. Če bo problem stabilnosti mogoče nadalje rešiti in problem stopnje pretvorbe izboljšati, bodo sončne celice iz amorfnega silicija nedvomno eden glavnih razvojnih produktov sončnih celic.
2. Kristalne tankoslojne sončne celice
Polikristalne tankoslojne celice Polikristalne tankoslojne celice iz kadmijevega sulfida in kadmijevega telurida so učinkovitejše od tankoslojnih sončnih celic iz amorfnega silicija, cenejše od monokristalnih silicijevih celic in enostavne za masovno proizvodnjo. Vendar pa je kadmij zelo strupen in bo povzročil resno onesnaženje okolja. Zato ni najbolj idealna alternativa sončnim celicam iz kristalnega silicija.
Učinkovitost pretvorbe sestavljenih celic galijevega arzenida (GaAs) III-V lahko doseže 28 %. Sestavljeni materiali GaAs imajo zelo idealno optično vrzel v pasu in visoko absorpcijsko učinkovitost, močno odpornost proti sevanju in so neobčutljivi na toploto. Primerni so za izdelavo visoko učinkovitih enospojnih celic. Vendar je cena GaAs materialov visoka, kar močno omejuje priljubljenost GaAs celic.
Tankoslojne celice iz bakrovega indijevega selenida (na kratko CIS) so primerne za fotoelektrično pretvorbo, nimajo težav s svetlobno povzročeno razgradnjo in imajo enako učinkovitost pretvorbe kot polikristalni silicij. S prednostmi nizke cene, dobre zmogljivosti in enostavnega postopka bo postala pomembna usmeritev za razvoj sončnih celic v prihodnosti. Edina težava je vir materiala. Ker sta indij in selen razmeroma redka elementa, je razvoj te vrste baterij neizogibno omejen.
3. Organske polimerne sončne celice
Zamenjava anorganskih materialov z organskimi polimeri je na novo razvita raziskovalna smer za proizvodnjo sončnih celic. Zaradi prednosti dobre fleksibilnosti, enostavne proizvodnje, širokih materialnih virov in nizkih stroškov organskih materialov je zelo pomembna za obsežno uporabo sončne energije in zagotavljanje poceni električne energije. Raziskave o pripravi sončnih celic z organskimi materiali pa so se šele začele. Ali ga je mogoče razviti v izdelek s praktičnim pomenom, je treba še dodatno preučiti in raziskati.
4. Nanokristalne sončne celice
Nanokristalne sončne celice so na novo razvite. Njihove prednosti so nizki stroški, preprost postopek in stabilno delovanje. Njihov fotoelektrični izkoristek je stabilen pri več kot 10 %, proizvodni stroški pa le 1/5 do 1/10 stroškov silicijevih sončnih celic. Življenjska doba lahko doseže več kot 20 let. Raziskave in razvoj tovrstnih baterij so se šele začele in v bližnji prihodnosti bodo postopoma prišle na trg.