태양전지는 에너지를 변환할 수 있는 광전소자의 일종이다. 그 기본 구조는 P형과 N형 반도체를 결합하여 형성된다. 반도체의 가장 기본적인 재료는 비전도성인 "실리콘"이다. 그러나 반도체에 다른 불순물을 첨가하면 P형과 N형 반도체를 만들 수 있다. 그러면 정공이 있는 P형 반도체(P형 반도체는 음전하를 띤 전자가 없으므로 추가 양전하로 간주할 수 있음)와 추가 자유 전자가 있는 N형 반도체 사이의 전위차를 이용하여 전류를 생성한다. 따라서 햇빛이 비치면 빛 에너지가 실리콘 원자의 전자를 여기시켜 전자와 정공의 대류를 일으킨다. 이러한 전자와 정공은 내장된 전위의 영향을 받아 각각 N형과 P형 반도체에 끌려 양쪽 끝에 모인다. 이때 외부를 전극으로 연결하여 회로를 형성하면 이것이 태양전지 발전의 원리이다.
태양전지는 결정상태에 따라 결정질박막형과 비결정질박막형(이하 가-라 함)으로 나눌 수 있으며, 비결정질박막형은 다시 단결정형과 다결정형으로 나뉜다.
재료에 따라 실리콘 박막형, 화합물 반도체 박막형, 유기막형으로 나눌 수 있으며, 화합물 반도체 박막형은 비결정형(a-Si:H, a-Si:H:F, a-SixGel-x:H 등), IIIV군(GaAs, InP 등), IIVI군(Cds계), 인화아연(Zn3p2) 등으로 세분된다.
태양전지는 사용되는 재료에 따라 실리콘 태양전지, 다중화합물 박막 태양전지, 폴리머 다층 변형 전극 태양전지, 나노결정 태양전지, 유기 태양전지, 플라스틱 태양전지 등으로 구분할 수 있는데, 이 중에서 실리콘 태양전지가 가장 성숙되고 응용 분야에서 지배적인 위치를 차지하고 있다.
1. 실리콘 태양 전지
실리콘 태양 전지는 단결정 실리콘 태양 전지, 다결정 실리콘 박막 태양 전지, 비정질 실리콘 박막 태양 전지의 세 가지 유형으로 나뉩니다.
(1) 단결정 실리콘 태양전지는 가장 높은 변환 효율과 가장 성숙한 기술을 가지고 있습니다. 실험실에서의 가장 높은 변환 효율은 24.7%이고, 대량 생산에서의 효율은 15%입니다(2011년 현재 18%). 그것은 여전히 대량 응용 및 산업 생산에서 지배적인 위치를 차지하고 있지만, 단결정 실리콘의 높은 비용으로 인해 비용을 크게 낮추는 것은 어렵습니다. 실리콘 재료를 절약하기 위해 다결정 실리콘 박막과 비정질 실리콘 박막이 단결정 실리콘 태양전지의 대안으로 개발되었습니다.
(2) 단결정 실리콘에 비해 다결정 실리콘 박막 태양전지는 비정질 실리콘 박막 전지보다 저렴하고 효율적이다. 실험실에서 가장 높은 변환 효율은 18%이고 산업 규모 생산의 변환 효율은 10%(2011년 현재 17%)이다. 따라서 다결정 실리콘 박막 전지는 곧 태양전지 시장에서 지배적인 위치를 차지할 것이다.
(3) 비정질 실리콘 박막 태양전지는 비용이 낮고 무게가 가벼우며 변환 효율이 높고 대량 생산이 용이하며 잠재력이 크다. 그러나 재료에 의한 광전 효율 감소 효과로 인해 안정성이 높지 않아 실제 응용에 직접적인 영향을 미친다. 안정성 문제를 더욱 해결하고 변환율 문제를 개선할 수 있다면 비정질 실리콘 태양전지는 의심할 여지 없이 태양전지의 주요 개발 제품 중 하나가 될 것이다.
2. 결정질 박막 태양전지
다결정 박막 셀 황화카드뮴과 텔루르화카드뮴 다결정 박막 셀은 비정질 실리콘 박막 태양 전지보다 효율적이고, 단결정 실리콘 셀보다 저렴하며, 대량 생산이 쉽습니다. 그러나 카드뮴은 독성이 매우 강하고 심각한 환경 오염을 일으킵니다. 따라서 결정질 실리콘 태양 전지에 대한 가장 이상적인 대안은 아닙니다.
갈륨비소(GaAs) III-V 복합 셀의 변환 효율은 28%에 도달할 수 있습니다. GaAs 복합 재료는 매우 이상적인 광학적 밴드 갭과 높은 흡수 효율, 강력한 방사선 저항성을 가지고 있으며 열에 민감하지 않습니다. 이들은 고효율 단일 접합 셀을 제조하는 데 적합합니다. 그러나 GaAs 재료의 가격이 높아 GaAs 셀의 인기를 크게 제한합니다.
구리 인듐 셀레나이드 박막 전지(약칭 CIS)는 광전 변환에 적합하고, 광 유도 열화 문제가 없으며, 다결정 실리콘과 동일한 변환 효율을 가지고 있습니다. 저렴한 가격, 좋은 성능, 간단한 공정의 이점으로, 이는 앞으로 태양 전지 개발의 중요한 방향이 될 것입니다. 유일한 문제는 재료의 출처입니다. 인듐과 셀레늄은 비교적 희귀한 원소이기 때문에 이러한 유형의 배터리 개발은 불가피하게 제한됩니다.
3. 유기 고분자 태양 전지
무기 재료를 유기 폴리머로 대체하는 것은 태양 전지 제조를 위한 새롭게 개발된 연구 방향입니다. 우수한 유연성, 쉬운 생산, 광범위한 재료 공급원 및 유기 재료의 낮은 비용의 이점으로 인해 태양 에너지의 대량 사용과 저렴한 전기 공급에 큰 의미가 있습니다. 그러나 유기 재료를 사용한 태양 전지 제조 연구는 막 시작되었습니다. 실용적인 의미를 가진 제품으로 개발할 수 있는지 여부는 추가 연구 및 탐구가 필요합니다.
4. 나노결정 태양전지
나노결정 태양전지는 새롭게 개발된 것입니다. 그 장점은 비용이 낮고 공정이 간단하며 성능이 안정적입니다. 광전 효율은 10% 이상으로 안정적이며 생산 비용은 실리콘 태양전지의 1/5~1/10에 불과합니다. 수명은 20년 이상에 달할 수 있습니다. 이러한 배터리의 연구 개발은 막 시작되었으며 가까운 미래에 점차 시장에 출시될 것입니다.