Соларните панели могат да бъдат произведени по много различни начини и от различни материали. Въпреки тази разлика, всички те изпълняват една и съща задача да абсорбират слънчевата енергия и да я преобразуват в електричество. Най-често срещаният материал за изграждане на слънчеви панели е силиций, който има полупроводникови свойства.
Повечето от слънчевите панели на пазара днес за жилищни соларни системи могат да се впишат в три категории: монокристални соларни панели, поликристални соларни панели и тънкослойни соларни панели. Всеки тип слънчев панел има различни характеристики, което прави определени панели по-подходящи за различни ситуации.
Днес ще се съсредоточим върху монокристалните слънчеви панели

Атомната структура на силиция го прави един от идеалните елементи за този вид слънчеви клетки. Силициевият атом има 14 електрона и неговата структура е такава, че най-външната му електронна обвивка съдържа само четири електрона. За да бъде стабилна, тази обвивка трябва да има осем електрона.
В нормалното си състояние или чиста форма всеки силициев атом се свързва с четири други силициеви атома, за да образува стабилен силициев кристал.
В чистото състояние на силициевия кристал има много малко свободни електрони за пренасяне на електрически ток. За да се промени тяхната електрическа проводимост, други елементи се въвеждат в силиция като полезни примеси в процес, известен като допинг.


Слънчевите клетки от кристален силиций получават името си от начина, по който са направени. Разликата между монокристалните и поликристалните слънчеви панели е, че монокристалните клетки се нарязват на тънки пластини от единичен непрекъснат кристал, който е направен за тази цел. Поликристалните клетки се правят чрез разтопяване на силициевия материал и изливането му във форма.
Еднаквостта на една кристална клетка й придава равномерен тъмносин цвят навсякъде. Освен това го прави по-ефективен от поликристалните соларни модули, чиято повърхност е разбъркана с различни нюанси на синьо.

Освен фазата на растеж на кристала, има малка разлика между конструкцията на моно- и поликристалните слънчеви клетки. Клетките обикновено са ламинирани с помощта на закалено стъкло отпред и пластмаса отзад. Те се съединяват с помощта на прозрачно лепило и след това модулът се рамкира с алуминий. Монокристалните модули обикновено са с по-малък размер на ват от техните поликристални аналози.


Допингът е образуването на полупроводници от P-тип и N-тип чрез въвеждане на чужди атоми в правилната кристална решетка на силиций или германий, за да се променят техните електрически свойства.
Както бе споменато по-горе, електричеството се генерира, когато свободните електрони се насочват да пренасят ток в електрическото поле на клетката.
Когато силициевите атоми споделят своите електрони, те могат лесно да постигнат равновесие, защото всеки атом се нуждае от четири електрона и всеки може да даде четири електрона.
Елементите, използвани при допинг обаче, имат или 5, или 3 електрона, които могат да споделят, които също са известни като валентни електрони.

Когато елементи с пет валентни електрона се въведат в силициевите кристали, започва нормалното споделяне на електрони, но петият електрон остава неприкрепен или несвързан. Този несвързан електрон може лесно да бъде изместен от атомната обвивка, когато към кристала се въведе енергия, което го кара да бъде отрицателно зареден.
Това прави кристала полупроводник от N-тип, където „N“ означава отрицателен.
Някои от елементите с 5 валентни електрона включват фосфор, антимон и арсен; фосфорът е най-често използваният елемент в кристалните слънчеви клетки.
От друга страна, когато се въведат елементи с три валентни електрона като бор, алуминий и галий, има недостиг на електрони и вместо това се образуват дупки.
Това означава, че кристалът ще носи положителен заряд, тъй като се нуждае от допълнителни електрони, за да запълни останалата дупка, което го прави полупроводник тип P, където „P“ означава положителен.
Силициевите полупроводници P-Type и N-Type се комбинират, за да направят слънчевата клетка. Когато са в контакт, тези два полупроводника генерират електрическо поле, което е необходимо за протичане на електричество в слънчевата клетка.

Допълнителните или свободни електрони от страната N се привличат, за да запълнят дупките в страната P. За съжаление, в точката на контакт, наричана още кръстовището на двата полупроводника, електроните и дупките се смесват, за да образуват бариера, предотвратяваща преминаването на електроните от страната N към страната P. Тази бариера се превръща в електрическо поле, разделящо двете страни, когато се достигне равновесие, и действа като диод, позволяващ потока на електрони в една посока, от P-тип полупроводник към N-тип.

Всичко, което е необходимо, за да се генерира електричество, е потокът от електрони през път, осигурен в електрическото поле. Въпреки това видяхме, че потокът от електрони е локализиран и ограничен от електрическото поле, което действа като бариера между клетките. Независимо от това, този поток може да бъде постигнат, когато слънчевата светлина удари слънчевата клетка.
Слънчевите лъчи носят енергията си под формата на фотони. Всеки фотон обикновено има достатъчно енергия, за да измести един електрон, когато удари слънчевата клетка.

При освобождаването на един електрон, това автоматично предизвиква едновременно освобождаване на дупка. Поради разположението на бариерата, позволяващо потока от електрони само към N-страната, освободеният електрон – ако е в обхвата на електрическото поле – ще бъде изпратен към полупроводника от N-тип, докато дупката се изпраща към P-типа. Тъй като това движение не възстановява баланса, електронът, който току-що е бил изместен, ще се стреми да се върне към P-страната, така че неутралността да бъде възстановена. Тъй като електронът не може да премине обратно към страната P от страната N през бариерата между полупроводниците, се изгражда път на външен ток, който позволява на този електрон да се върне към страната P. Докато електроните протичат през външния ток, ние можем да използваме тяхната енергия за захранване на електрически уреди.


Един от основните обекти на изследване на слънчевите клетки от кристален силиций е тяхната ефективност. Широко разпространено е мнението, че абсолютната граница е, че 25% от слънчевата енергия, която удря кристална клетка, може да се преобразува в електричество.
Изследователите работят усилено, за да постигнат тази ефективност, като някои компании като Jinko Solar и Sanyo постигат висока ефективност до 24%.
Широкият спектър от дължини на вълните на слънчевата светлина е отговорен за загубата на около 70% от енергията, която удря слънчевата клетка.

Светлината от слънцето има различни дължини на вълната, които ние виждаме като различни цветове. Различните дължини на вълните също се различават по съдържание на енергия; някои имат повече енергия, отколкото е необходима на слънчевата клетка за производство на електричество, докато други имат по-малко енергия.

Клетката от кристален силиций се нуждае от около 1,1 eV (електронволта) енергия, за да освободи електрон в полупроводника; всяка енергия, която е повече или по-малко от това, просто преминава през клетката без ефект. Тази енергия, използвана за освобождаване на електрона, е уникална за всеки материал и е известна като забранената лента на материала.

Забранената лента също определя напрежението на клетката. Ако забранената лента е ниска, напрежението също е ниско. Следователно, въпреки че използването на материал с ниска ширина на лентата може да увеличи тока на клетката, то намалява напрежението на клетката. Тъй като мощността е продукт на ток и напрежение, изходната мощност на клетката не може да бъде подобрена по този начин. Така е установено, че оптималната ширина на забранената лента за слънчева клетка, направена от един материал, е 1,4 eV, за да се балансира ефектът на тока и напрежението.