Güneş pili
Güneş pillerinin yapısı

Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan transistörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri de, yarı-iletken maddelerden yapılırlar. Yarı-iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir.[kaynak belirtilmeli]
Yarı-iletken maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır. Elde edilen yarı-iletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine bağlıdır. En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element, örneğin fosfor eklenir. Silisyum'un dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için, fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir. Bu nedenle V. grup elementlerine "verici" ya da "n tipi" katkı maddesi denir.[kaynak belirtilmeli]
P tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe 3. gruptan bir element (alüminyum, indiyum, bor gibi) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere de "p tipi" ya da "alıcı" katkı maddeleri denir.[kaynak belirtilmeli]
P ya da n tipi ana malzemenin içerisine gerekli katkı maddelerinin katılması ile yarı iletken eklemler oluşturulur. N tipi yarı iletkende elektronlar, p tipi yarı iletkende holler çoğunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarı iletkenler bir araya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel bakımdan nötrdür. Yani p tipinde negatif enerji seviyeleri ile hol sayıları eşit, n tipinde pozitif enerji seviyeleri ile elektron sayıları eşittir. PN eklem oluştuğunda, n tipindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine doğru akım oluştururlar. Bu olay her iki tarafta da yük dengesi oluşana kadar devam eder. PN tipi maddenin arayüzeyinde, yani eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında negatif, N bölgesi tarafında pozitif yük birikir. Bu eklem bölgesine "geçiş bölgesi" ya da "yükten arındırılmış bölge" denir. Bu bölgede oluşan elektrik alan "yapısal elektrik alan" olarak adlandırılır. Yarı iletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir. Bu dönüşüm iki aşamada olur, ilk olarak, eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron-hol çiftleri oluşturulur, ikinci olarak ise, bunlar bölgedeki elektrik alan yardımıyla birbirlerinden ayrılır.[kaynak belirtilmeli]
Yarı iletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu bandlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha büyük enerjili bir foton, yarı iletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans banddaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar. Böylece, elektron-hol çifti oluşur. Bu olay, pn eklem güneş pilinin arayüzeyinde meydana gelmiş ise elektron-hol çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde güneş pili, elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Birbirlerinden ayrılan elektron-hol çiftleri, güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluştururlar. Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder. Yarı iletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar.[kaynak belirtilmeli]
Güneş pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok kullanılan maddeler şunlardır:
Kristal Silisyum: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde laboratuvar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çokkristal Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır. Verim, laboratuvar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır.[kaynak belirtilmeli]
Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarı iletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs güneş pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır.[kaynak belirtilmeli]
Bir güneş hücresinden bir FV sisteme. Bir fotovoltaik sistemin olası bileşenlerinin şeması
NASA, en başından beri uzay aracında güneş hücreleri kullanmaktaydı. Örneğin, 1959'da başlatılan Explorer 6, yörüngede bir kez katlanan dört dizi panele sahipti. Bu paneller uzayda aylarca güç sağladılar.
Silisyum güneş hücreleri ve petrolün dolar başına enerji hacmi; Bazı temel elektrik üretim teknolojilerinin karbon yoğunluğu.
Güneş hücreleri tarafından yük toplama şeması. Işık, her iki elektrot tarafından toplanan elektron deliği çiftleri yaratan şeffaf iletken elektrot aracılığıyla iletilir.
Bir güneş hücresinin çalışma mekanizması
Bir güneş hücresinin teorik maksimum verimliliği için Shockley-Queisser Sınırı. Bant aralığı 1 ile 1,5 eV arasında olan yarı iletkenler veya yakın kızılötesi ışık, verimli bir tekli bağlantılı (single Junction) hücre oluşturmak için en büyük potansiyele sahiptir. (Burada gösterilen verimlilik "sınırı" çok bağlantılı güneş hücreleri (Multi-Junciton Solar Cell)tarafından aşılabilir. )
Güneş hücresi enerji dönüşüm verimlilikleri araştırması için bildirilen zaman çizelgesi ( Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı )
1990'dan beri FV teknolojisi ile yıllık üretim açısından küresel pazar payı
Sion'un tavanı, kaputu ve dış kabuğunun büyük parçaları, yüksek verimli monokristal silisyum hücrelerle donatılmıştır.
Dawn Uzay Sondası 'ın 10 kW gücünde üçlü bağlantılı (triple-junction) galyum arsenit güneş paneli dizisinin kanatlar tam açıkken görünümü
Noto'da (Senegal) iki yüzeyli  güneş panel tesisi, 1988 - Albedoyu geliştirmek için zemin beyaza boyanmıştır.
Solar Impulse uçakları, tamamen fotovoltaik hücrelerden güç alan İsviçre tasarımı tek koltuklu tek kanatlı uçaklardır.
Eski tipi güneş enerjili hesap makinesi
Bölgelere göre güneşhücresi üretimi