חומרים מסוגים שונים משמשים ליצירת תאי שמש. רוב החומרים הם חומרים חצי מוליכים:

• החומר סיליקון בצורת גביש יחיד – יכול לשמש ליצירת תאי שמש בעלי יעילות גבוהה, אלא שמחירם יקר.
• החומר סיליקון בצורת מספר רב של גבישונים (פוליקריסטל) – ניתן לייצור זול יותר, אך גם יעילות ההמרה של אנרגיית שמש לחשמל שלו קטנה יותר.
• החומר סיליקון בצורתו האמורפית (ללא גבישים) – מיוצר כשכבה דקה על זכוכית. ניתן ליצור ממנו תאי שמש בעלות נמוכה, ובייצור המוני. בינתיים יעילות תאי שמש אלו נמוכה.
• קדמיום טלוריד (CdTe) – הוא חומר חצי מוליך, שמנסים גם ממנו לייצר תאי שמש.
• התרכובת גליום ארסניד (GaAs) – מורכבת מחומרים שטכנולוגיית העיבוד שלהם עדיין אינה מפותחת כמו זו של הסיליקון, אך ניתן ליצור ממנה תאי שמש בעלי יעילות המרה גבוהה ביותר. בשלב זה עלות הייצור מחומר זה גבוהה. גליום ארסניד (GaAs) – הוא חומר חצי מוליך המשמש בתעשיית האופטרוניקה. יוצרו ממנו תאי שמש בעלי יעילות גבוהה של 30%. בשלב זה עדיין מחירו יקר, וטכנולוגיית העיבוד שלו אינה נפוצה כמו טכנולוגיית עיבוד הסיליקון שפותחה עבור הרכיבים האלקטרוניים.
• תרכובות של CIGS – מורכבות מהחומרים: נחושת, אינדיום, גליום וסלניום (CuInGaSe). בשנת 2010 החלה חברת Solar Frontier לבנות מחומרים אלו ביפן, תחנת ייצור חשמל בהספק של 900 מגהוואט (!). זאת לאחר הפעלה של תחנות בהספק של 20 מגהוואט ו 60 מגהוואט.
• תרכובות של CZTS = Copper Zinc Tin Sulfide, אלו חומרים זולים יותר מ CIGS, מכיוון שאינם מכילים אינדיום וגליום שהם עפרות נדירות. בשנת 2012 מנסות מספר חברות גדולות ליצור תאי שמש יעילים מחומרים אלו.

מהם הפיתוחים החדשים בתחום תאי השמש?

בשנים האחרונות מבוצע מחקר בכיוונים שונים, ליצירת תאי שמש שיש להם יתרון יחסי, כגון:

• קיימים דגמים מעבדתיים של תאי שמש מחומרים אורגאניים, בהם מנסים לחקות את תהליך הפוטוסינתיזה המתקיים בטבע בצמחים ובאצות.
• תאי שמש המורכבים ממספר צמתים (Multi-Junction) – אלו תאי שמש הבנויים ממספר שכבות של צמתי חומרים חצי מוליכים, כך שהם מסוגלים לבלוע אור באורכי גל שונים (כל שכבה בולעת תחום שונה של הספקטרום האלקטרומגנטי), וכך גדלה יעילותם. בשנת 2010 הגיעו ליעלות של 40% !!!

הסבר למתקדמים:

המטרה היא לקלוט מקסימום קרינת שמש, כלומר, לקלוט פוטונים בעלי אנרגיות בכל התחום הספקטראלי של קרינת השמש.

על פי חוקי הפיזיקה, חומר חצי מוליך בולע פוטונים, שהאנרגיה שלהם גבוהה מהאנרגיה של פער האנרגיה בין שכבת הערכיות לשכבת המוליכות. כלומר, רק פוטונים בעלי תדירויות הגבוהות מתדירות מסוימת (או במילים אחרות בעלי אורך גל קצר מאורך גל מסוים). את השכבות בונים כך שכל שכבה בולעת פוטונים בתחום תדירויות מסוים, ומעבירה את יתר הפוטונים לשכבה שלאחריה.

• מיקוד קרינת השמש (פי 200-1,000) לכיוון תאי השמש. באופן טבעי, צפיפות ההספק של קרינת השמש על הקרקע של כדור הארץ היא נמוכה יחסית. באמצעות מיקוד הקרינה, מתאפשר לאסוף קרינת שמש משטח גדול יחסית לשטח של תאי השמש עצמם. כך מקטינים את כמות תאי השמש, הנדרשת להפקת אותה כמות של אנרגיה חשמלית (מקטינים את עלות הפקת החשמל). ניתן למקד את קרינת השמש באמצעות מראות (מישוריות או קעורות), או באמצעות עדשות. מיקוד לתאי שמש בודדים ניתן לבצע באמצעות מיקרו-עדשות, ואילו מיקוד לשטח של תאי שמש ניתן לבצע באמצעות עדשות פרנל, או מראות פרבוליות.