Αυτή η έξυπνη τεχνολογία εκμεταλλεύεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, ένα φυσικό φαινόμενο όπου τα ηλιακά φωτόνια χτυπούν την επιφάνεια ενός ημιαγωγού, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση ηλεκτρονίων και την παραγωγή ενός εκμεταλλεύσιμου ηλεκτρικού ρεύματος.

Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο είναι ένα θεμελιώδες φαινόμενο της φυσικής που αποτελεί τη βάση της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών κυττάρων. Εμφανίζεται όταν το φως, με τη μορφή φωτονίων, χτυπά την επιφάνεια ενός υλικού ημιαγωγών, όπως το πυρίτιο που χρησιμοποιείται στα ηλιακά κύτταρα. Όταν τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με το υλικό, μεταφέρουν την ενέργειά τους στα ηλεκτρόνια στη δομή ημιαγωγών.

Η ενέργεια των φωτονίων διεγείρει τα ηλεκτρόνια, γεγονός που τα απελευθερώνει από τις ατομικές τροχιές τους. Αυτά τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια στη συνέχεια αποκτούν κινητική ενέργεια και κινούνται μέσα στο υλικό. Είναι αυτή η κίνηση των ηλεκτρονίων που παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Ωστόσο, στην διεγερμένη τους κατάσταση, τα ηλεκτρόνια τείνουν να ανασυνδυάζονται με οπές (τα κενά που αφήνουν τα ηλεκτρόνια που λείπουν) στο υλικό, γεγονός που θα μπορούσε να ακυρώσει το φωτοβολταϊκό φαινόμενο.

Για να αποφευχθεί αυτός ο ανεπιθύμητος ανασυνδυασμός, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα έχουν σχεδιαστεί για να δημιουργούν μια διασταύρωση PN. Σε ένα τυπικό ηλιακό κύτταρο, το ανώτερο στρώμα του υλικού ημιαγωγών είναι ντοπαρισμένο με άτομα που έχουν περίσσεια ηλεκτρονίων (n-type), ενώ το κάτω στρώμα είναι ντοπαρισμένο με άτομα με περίσσεια οπών (p-type). Αυτή η διαμόρφωση δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που κατευθύνει τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια στο στρώμα τύπου n και τις οπές στο στρώμα τύπου p.

Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από το φωτοβολταϊκό φαινόμενο συλλέγονται στην επιφάνεια τύπου n του φωτοβολταϊκού κυττάρου, ενώ οι οπές συλλέγονται στην επιφάνεια τύπου p. Αυτός ο διαχωρισμός των φορτίων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ των δύο στρωμάτων, δημιουργώντας έτσι ένα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα όταν το φως του ήλιου χτυπά το κύτταρο. Αυτό το ρεύμα μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για την τροφοδοσία ηλεκτρικών συσκευών ή να αποθηκευτεί σε μπαταρίες για μελλοντική χρήση. Στην διεγερμένη τους κατάσταση στη ζώνη αγωγιμότητας, αυτά τα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να κινούνται μέσω του υλικού και αυτή η κίνηση του ηλεκτρονίου δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα στο κύτταρο.

Αυτά τα κύτταρα είναι κατασκευασμένα από έναν μόνο κρύσταλλο πυριτίου, ο οποίος τους δίνει ομοιόμορφη δομή και υψηλή απόδοση.
Ο μοναδικός κρυσταλλικός προσανατολισμός επιτρέπει την καλύτερη σύλληψη των ηλιακών φωτονίων, με αποτέλεσμα την υψηλή απόδοση.
Ωστόσο, η διαδικασία κατασκευής είναι πιο περίπλοκη, με αποτέλεσμα υψηλότερο κόστος παραγωγής.

Κατασκευασμένα από μπλοκ πυριτίου που αποτελούνται από πολλαπλούς κρυστάλλους, αυτά τα κύτταρα είναι ευκολότερα και φθηνότερα στην παραγωγή από τα μονοκρυσταλλικά.
Τα όρια μεταξύ των κρυστάλλων μπορεί να μειώσουν ελαφρώς την απόδοση, αλλά οι τεχνικές εξελίξεις έχουν βελτιώσει την απόδοσή τους με την πάροδο του χρόνου.
Προσφέρουν μια καλή ισορροπία μεταξύ κόστους, αποδοτικότητας και βιωσιμότητας.

Αυτά τα κύτταρα κατασκευάζονται με την εναπόθεση ενός λεπτού στρώματος ημιαγώγιμου υλικού απευθείας σε ένα υπόστρωμα, όπως γυαλί ή μέταλλο.
Είναι ελαφρύτερες και πιο ευέλικτες από τις κυψέλες πυριτίου, επιτρέποντάς τους να ενσωματωθούν σε διάφορες εφαρμογές, όπως μαλακές ηλιακές στέγες.
Η απόδοση είναι γενικά χαμηλότερη από αυτή των κυψελών πυριτίου, αλλά οι τεχνολογικές εξελίξεις αποσκοπούν στη βελτίωση της αποτελεσματικότητάς τους.

Αυτά τα κύτταρα συνδυάζουν διαφορετικά στρώματα υλικών ημιαγωγών, δημιουργώντας μια διεπαφή ετεροσύνδεσης.
Η διεπαφή προωθεί τον αποτελεσματικό διαχωρισμό φορτίου και μειώνει τις απώλειες λόγω ανασυνδυασμού ηλεκτρονίων και οπών.
Τα κύτταρα HIT έχουν καλές αποδόσεις και καλύτερη απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες.

Τα κύτταρα με βάση τον περοβσκίτη είναι σχετικά νέα και έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω της ευκολίας κατασκευής τους και του δυναμικού υψηλής απόδοσης.
Τα υλικά περοβσκίτη μπορούν να εναποτεθούν από υγρά διαλύματα, ανοίγοντας την πόρτα σε λιγότερο δαπανηρές διαδικασίες κατασκευής.
Ωστόσο, η μακροπρόθεσμη βιωσιμότητα και σταθερότητα υπό διάφορες συνθήκες εξακολουθούν να αποτελούν προκλήσεις. Οι περισσότερες εμπορικές φωτοβολταϊκές κυψέλες είναι μονής σύνδεσης, αλλά οι φωτοβολταϊκές κυψέλες πολλαπλών συνδέσεων έχουν επίσης αναπτυχθεί για να επιτύχουν υψηλότερες αποδόσεις με υψηλότερο κόστος.

Μονοκρυσταλλικά : Κατασκευασμένα από έναν μόνο κρύσταλλο πυριτίου, αυτά τα κύτταρα προσφέρουν υψηλή απόδοση λόγω της ομοιογενούς δομής τους. Ωστόσο, η διαδικασία κατασκευής τους είναι περίπλοκη και δαπανηρή.
Πολυκρυσταλλικά : Κατασκευασμένα από διάφορους κρυστάλλους πυριτίου, αυτά τα κύτταρα είναι πιο προσιτά στην παραγωγή από τα μονοκρυσταλλικά. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητά τους είναι ελαφρώς χαμηλότερη λόγω των ορίων μεταξύ των κρυστάλλων.

Τελλουριούχο κάδμιο (CdTe) : Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν τελλουριούχο κάδμιο ως υλικό ημιαγωγών. Είναι οικονομικά προσιτά στην παραγωγή και χρησιμοποιούνται συχνά σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας. Ωστόσο, το κάδμιο είναι τοξικό, γεγονός που εγείρει περιβαλλοντικές ανησυχίες.
Σεληνιούχο χαλκό ινδίου και γαλλίου (CIGS) : Αυτά τα κύτταρα αποτελούνται από στρώματα χαλκού, ινδίου, γαλλίου και σεληνίου. Προσφέρουν υψηλή απόδοση και μπορούν να κατασκευαστούν σε εύκαμπτες επιφάνειες, καθιστώντας τα κατάλληλα για ορισμένες ειδικές εφαρμογές.

Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν οργανικά πολυμερή ή υλικά με βάση τον άνθρακα για να μετατρέψουν το φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Είναι συνήθως ελαφριά και εύκαμπτα, αλλά η αποτελεσματικότητά τους είναι συχνά χαμηλότερη από αυτή άλλων τύπων κυττάρων.

Οι κυψέλες περοβσκίτη είναι σχετικά νέες, αλλά προσελκύουν μεγάλο ενδιαφέρον λόγω του υψηλού δυναμικού απόδοσης και του δυνητικά μειωμένου κόστους παραγωγής. Χρησιμοποιούν ένα κρυσταλλικό υλικό που ονομάζεται περοβσκίτης για να συλλάβουν το φως.