تستغل هذه التقنية العبقرية التأثير الكهروضوئي ، وهي ظاهرة فيزيائية حيث تضرب الفوتونات الشمسية سطح أشباه الموصلات ، مما يؤدي إلى إطلاق الإلكترونات وتوليد تيار كهربائي قابل للاستغلال.

التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة أساسية للفيزياء تشكل أساس عمل الخلايا الكهروضوئية. يحدث عندما يضرب الضوء ، في شكل فوتونات ، سطح مادة أشباه الموصلات ، مثل السيليكون المستخدم في الخلايا الشمسية. عندما تتفاعل الفوتونات مع المادة ، فإنها تنقل طاقتها إلى الإلكترونات في بنية أشباه الموصلات.

تثير طاقة الفوتونات الإلكترونات التي تحررها من مداراتها الذرية. ثم تكتسب هذه الإلكترونات المنطلقة طاقة حركة وتتحرك عبر المادة. حركة الإلكترونات هذه هي التي تولد تيارا كهربائيا. ومع ذلك ، في حالتها المثارة ، تميل الإلكترونات إلى إعادة الاتحاد مع الثقوب (الفجوات التي خلفتها الإلكترونات المفقودة) في المادة ، والتي يمكن أن تلغي التأثير الكهروضوئي.

لتجنب إعادة التركيب غير المرغوب فيها ، تم تصميم الخلايا الكهروضوئية لإنشاء تقاطع PN. في الخلية الشمسية النموذجية ، يتم تخدير الطبقة العليا من مادة أشباه الموصلات بالذرات التي تحتوي على إلكترونات زائدة (نوع n) ، بينما يتم تخدير الطبقة السفلية بالذرات ذات الثقوب الزائدة (النوع p). ينشئ هذا التكوين مجالا كهربائيا يوجه الإلكترونات المنبعثة إلى الطبقة من النوع n والثقوب إلى الطبقة من النوع p.

نتيجة لذلك ، يتم جمع الإلكترونات المنبعثة من التأثير الكهروضوئي على سطح النوع n للخلية الكهروضوئية ، بينما يتم جمع الثقوب على سطح النوع p. هذا الفصل بين الشحنات يخلق جهدا كهربائيا بين الطبقتين ، وبالتالي يولد تيارا كهربائيا ثابتا عندما يضرب ضوء الشمس الخلية. يمكن بعد ذلك استخدام هذا التيار كمصدر للكهرباء لتشغيل الأجهزة الكهربائية أو تخزينه في بطاريات لاستخدامها لاحقا. في حالتها المثارة في نطاق التوصيل ، تكون هذه الإلكترونات حرة في التحرك عبر المادة ، وحركة الإلكترون هذه هي التي تخلق تيارا كهربائيا في الخلية.

هذه الخلايا مصنوعة من بلورة سيليكون واحدة ، مما يمنحها بنية موحدة وكفاءة عالية.
يسمح الاتجاه البلوري الفريد بالتقاط أفضل للفوتونات الشمسية ، مما يؤدي إلى كفاءة عالية.
ومع ذلك ، فإن عملية التصنيع أكثر تعقيدا ، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج.

مصنوعة من كتل السيليكون التي تضم بلورات متعددة ، هذه الخلايا أسهل وأرخص في الإنتاج من أحادي البلورية.
قد تقلل الحدود بين البلورات من الكفاءة قليلا ، لكن التقدم التقني قد حسن أدائها بمرور الوقت.
أنها توفر توازنا جيدا بين التكلفة والكفاءة والاستدامة.

تصنع هذه الخلايا عن طريق ترسيب طبقة رقيقة من مادة أشباه الموصلات مباشرة على ركيزة ، مثل الزجاج أو المعدن.
إنها أخف وزنا وأكثر مرونة من خلايا السيليكون ، مما يسمح بدمجها في تطبيقات مختلفة ، مثل الأسطح الشمسية الناعمة.
الكفاءة بشكل عام أقل من خلايا السيليكون ، لكن التقدم التكنولوجي يهدف إلى تحسين كفاءتها.

تجمع هذه الخلايا بين طبقات مختلفة من مواد أشباه الموصلات ، مما يخلق واجهة غير متجانسة.
تعزز الواجهة فصل الشحنة بكفاءة وتقلل من الخسائر بسبب إعادة تركيب الإلكترون والثقب.
تتمتع خلايا HIT بعوائد جيدة وأداء أفضل في درجات الحرارة العالية.

الخلايا القائمة على البيروفسكايت جديدة نسبيا وقد جذبت اهتماما كبيرا بسبب سهولة تصنيعها وإمكاناتها عالية الكفاءة.
يمكن ترسيب مواد البيروفسكايت من المحاليل السائلة ، مما يفتح الباب أمام عمليات تصنيع أقل تكلفة.
ومع ذلك، لا تزال الاستدامة والاستقرار على المدى الطويل في ظل ظروف مختلفة تشكل تحديات. معظم الخلايا الكهروضوئية التجارية أحادية الوصلة ، ولكن تم أيضا تطوير الخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات لتحقيق كفاءات أعلى بتكلفة أعلى.

أحادي البلورية : مصنوعة من بلورة سيليكون واحدة ، توفر هذه الخلايا كفاءة عالية بسبب هيكلها المتجانس. ومع ذلك ، فإن عملية التصنيع الخاصة بهم معقدة ومكلفة.
متعدد الكريستالات : مصنوعة من عدة بلورات سيليكون ، هذه الخلايا ميسورة التكلفة للإنتاج من أحادية البلورية. ومع ذلك ، فإن فعاليتها أقل قليلا بسبب الحدود بين البلورات.

الكادميوم تيلورايد (CdTe) : تستخدم هذه الخلايا تيلوريد الكادميوم كمادة أشباه الموصلات. إنها ميسورة التكلفة للإنتاج وغالبا ما تستخدم في التطبيقات واسعة النطاق. ومع ذلك ، فإن الكادميوم سام ، مما يثير مخاوف بيئية.
سيلينيد غاليوم الإنديوم النحاسي (CIGS) : تتكون هذه الخلايا من طبقات من النحاس والإنديوم والغاليوم والسيلينيوم. إنها توفر كفاءة عالية ويمكن تصنيعها على أسطح مرنة ، مما يجعلها مناسبة لبعض التطبيقات الخاصة.

تستخدم هذه الخلايا البوليمرات العضوية أو المواد القائمة على الكربون لتحويل الضوء إلى كهرباء. عادة ما تكون خفيفة الوزن ومرنة ، لكن فعاليتها غالبا ما تكون أقل من أنواع الخلايا الأخرى.

خلايا البيروفسكايت جديدة نسبيا ولكنها تجذب اهتماما كبيرا بسبب إمكاناتها عالية الكفاءة وتكلفة الإنتاج المحتملة. يستخدمون مادة بلورية تسمى البيروفسكايت لالتقاط الضوء.