A napelemek olyan fotoelektromos elemek, amelyek képesek átalakítani az energiát. Alapszerkezetüket P-típusú és N-típusú félvezetők kombinálásával alakítják ki. A félvezetők legalapvetőbb anyaga a "szilícium", amely nem vezetőképes. Ha azonban különböző szennyeződéseket adnak a félvezetőkhöz, akkor P-típusú és N-típusú félvezetők is készíthetők. Ezután a P-típusú lyukas félvezető (a P-típusú félvezetőből hiányzik a negatív töltésű elektron, ami további pozitív töltésnek tekinthető) és a további szabad elektront tartalmazó N-típusú félvezető közötti potenciálkülönbséget használjuk fel a áramot generálni. Ezért amikor a napfény süt, a fényenergia gerjeszti a szilícium atomokban lévő elektronokat, és elektronok és lyukak konvekcióját idézi elő. Ezeket az elektronokat és lyukakat a beépített potenciál befolyásolja, és az N-típusú, illetve a P-típusú félvezetők vonzzák őket, és mindkét végén összegyűlnek. Jelenleg, ha a külső elektródákkal van összekötve, hogy áramkört képezzenek, ez a napelemes áramtermelés elve.
A napelemek kristályállapotuk szerint két kategóriába sorolhatók: kristályos vékonyréteg típusú és nem kristályos vékonyréteg típusú (a továbbiakban: a-), az előbbi pedig tovább oszlik egykristályos és polikristályos típusra.
Az anyag szerint szilícium vékonyréteg-típusra, összetett félvezető vékonyréteg-típusra és szerves filmtípusra oszthatók, az összetett félvezető vékonyréteg-típus pedig tovább osztható nem kristályos típusra (a-Si:H, a-Si: H:F, a-SixGel-x:H stb.), IIIV csoport (GaAs, InP stb.), IIVI csoport (Cds sorozat) és cink-foszfid (Zn3p2) stb.
A felhasznált anyagok szerint a napelemek a következőkre is oszthatók: szilícium napelemek, többkomponensű vékonyfilmes napelemek, polimer többrétegű módosított elektródás napelemek, nanokristályos napelemek, szerves napelemek, műanyag napelemek, köztük szilícium napelemek. A sejtek a legérettebbek és dominálnak az alkalmazásokban.
1. Szilícium napelemek
A szilícium napelemek három típusra oszthatók: egykristályos szilícium napelemek, polikristályos szilícium vékonyfilmes napelemek és amorf szilícium vékonyrétegű napelemek.
(1) Az egykristályos szilícium napelemek a legmagasabb konverziós hatásfokkal és a legfejlettebb technológiával rendelkeznek. A legmagasabb átalakítási hatásfok a laboratóriumban 24,7%, a nagyüzemi gyártásban pedig 15% (2011-ben 18%). Továbbra is domináns pozíciót foglal el a nagyüzemi alkalmazásokban és az ipari termelésben, de az egykristályos szilícium magas költsége miatt nehéz jelentősen csökkenteni a költségeit. A szilícium anyagok megtakarítása érdekében polikristályos szilícium vékony filmet és amorf szilícium vékony filmet fejlesztettek ki az egykristályos szilícium napelemek alternatívájaként.
(2) Az egykristályos szilíciummal összehasonlítva a polikristályos szilícium vékonyfilmes napelemek olcsóbbak és hatékonyabbak, mint az amorf szilícium vékonyfilmes cellák. Legmagasabb laboratóriumi átalakítási hatásfoka 18%, az ipari méretű gyártás átalakítási hatásfoka 10% (2011-ben 17%). Ezért a polikristályos szilícium vékonyréteg-elemek hamarosan domináns pozíciót foglalnak el a napelemek piacán.
(3) Az amorf szilícium vékonyrétegű napelemek alacsony költségűek és könnyűek, nagy konverziós hatékonysággal, könnyen tömegesen gyárthatók, és nagy potenciállal rendelkeznek. Az anyaga által kiváltott fotoelektromos hatékonyságcsökkentő hatás miatt azonban stabilitása nem magas, ami közvetlenül befolyásolja a gyakorlati alkalmazását. Ha a stabilitási probléma tovább megoldható és a konverziós arány problémája javítható, akkor az amorf szilícium napelemek kétségtelenül a napelemek egyik fő fejlesztési termékei lesznek.
2. Kristályos vékonyrétegű napelemek
Polikristályos vékonyréteg-cellák A kadmium-szulfid és a kadmium-tellurid polikristályos vékonyfilm-cellák hatékonyabbak, mint az amorf szilícium vékonyréteg-napelemek, olcsóbbak, mint a monokristályos szilíciumcellák, és könnyen tömegesen gyárthatók. A kadmium azonban erősen mérgező, és súlyos környezetszennyezést okoz. Ezért nem ez a legideálisabb alternatíva a kristályos szilícium napelemekkel szemben.
A gallium-arzenid (GaAs) III-V összetett sejtek konverziós hatékonysága elérheti a 28%-ot. A GaAs összetett anyagok nagyon ideális optikai sávszélességgel és nagy abszorpciós hatásfokkal, erős sugárzásállósággal rendelkeznek, és érzéketlenek a hőre. Alkalmasak nagy hatásfokú egycsatlakozású cellák gyártására. A GaAs anyagok ára azonban magas, ami nagymértékben korlátozza a GaAs cellák népszerűségét.
A réz-indium-szelenid vékonyréteg-cellák (röviden: CIS) alkalmasak fotoelektromos konverzióra, nem okoznak problémát a fény által kiváltott lebomlásuk, és ugyanolyan konverziós hatásfokkal rendelkeznek, mint a polikristályos szilíciumé. Az alacsony ár, a jó teljesítmény és az egyszerű folyamat előnyei révén a napelemek fejlesztésének fontos irányává válik a jövőben. Az egyetlen probléma az anyag forrása. Mivel az indium és a szelén viszonylag ritka elemek, az ilyen típusú akkumulátorok fejlesztése elkerülhetetlenül korlátozott.
3. Szerves polimer napelemek
A napelemgyártás új fejlesztésű kutatási iránya a szervetlen anyagok szerves polimerekkel való helyettesítése. A jó rugalmasság, a könnyű előállítás, a széles anyagforrások és a szerves anyagok alacsony költségének előnyei miatt nagy jelentőséggel bír a napenergia széleskörű felhasználása és az olcsó villamos energia biztosítása szempontjából. A napelemek szerves anyagokkal történő előállításának kutatása azonban csak most kezdődött el. Tovább kell tanulmányozni és feltárni, hogy gyakorlati jelentőségű termékké fejleszthető-e.
4. Nanokristályos napelemek
A nanokristályos napelemek új fejlesztésűek. Előnyük az alacsony költség, az egyszerű folyamat és a stabil teljesítmény. Fotoelektromos hatásfokuk stabil, több mint 10%, a gyártási költségük pedig csak 1/5-1/10-e a szilícium napelemeké. Az élettartam elérheti a 20 évet is. Az ilyen akkumulátorok kutatása és fejlesztése most kezdődött, és a közeljövőben fokozatosan megjelennek a piacon.