Солнечная батарея — элемент, аккумулирующий энергию солнечного излучения и позволяющий в дальнейшем перевести ее в тепловую или электрическую энергию, для использования в энергетической цепочке. Отрасль, называемая гелиоэнергетикой, является одной из самых перспективных и быстроразвивающихся. О солнечных батареях коллекторного типа будет рассказано в соответствующем пункте, а здесь пойдет речь о солнечных батареях на основе фотоэлектрических преобразователей.
Фотоэлементы являются полупроводниковыми устройствами, которые позволяют прямо преобразовать солнечную энергию в электрическую.
Несколько объединенных фотоэлектрических преобразователей и называются солнечной батареей. На сегодняшний день фотоэлементы считаются наиболее эффективными преобразователями солнечной энергии в электрическую, но это только с точки зрения энергетических характеристик. Такое преимущество перед остальными видами преобразователей обусловлено одноступенчатым процессом перевода энергии. Теоретический КПД фотоэлектрических преобразователей может достигать 90%. На практике же достигнут предел в 40%, хотя вполне достижимым на сегодняшний день считается предел в 50%. Процесс преобразования энергии основан на фотовольтаическом эффекте, возникающем в полупроводниковых структурах, характерным признаком которых является неоднородность, под воздействием солнечного излучения.
Эффективность преобразования будет зависеть, в первую очередь, от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также от оптических свойств фотоэлектрического преобразователя. Немаловажную роль играет фотопроводимость, которая обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках, возникающего при облучении материала солнечным светом. Потери энергии в фотоэлектрических преобразователях связаны с рядом факторов, которые будут перечислены ниже. Часть солнечного излучения неминуемо отражается от поверхностей преобразователя, кроме того, другая часть излучения будет проходить сквозь фотоэлектрический преобразователь без поглощения в нем и превращения в полезную энергию. Некоторое количество солнечной энергии теряется при рассеянии на тепловых колебаниях решетки избыточной энергии фотонов. Нельзя забывать и про наличие внутреннего сопротивления фотоэлектрического преобразователя, которое тоже «съедает» свою часть энергии. Все эти факторы, а также многие другие, которые не были упомянуты в этом списке, существенно снижают выходной КПД солнечной батареи.
Для уменьшения всех видов потерь энергии в фотоэлектрических преобразователях учеными разрабатываются и впоследствии успешно применяются на практике различные мероприятия. К числу таких мероприятий можно отнести следующие манипуляции:
1) поиск и последующее использование полупроводников с иными физическими параметрами, которые позволили бы получить оптимальные параметры для перевода энергии солнечного излучения в электрическую или тепловую энергии;
2) улучшение свойств уже успешно применяемых полупроводниковых структур;
3) оптимизация конструктивных параметров фотоэлектрических преобразователей;
4) применение специальных оптических покрытий, которые смогут обеспечить лучшие в сравнении с существующими параметры просветления, терморегулирования и защиту от космической радиации;
5) разработка и внедрение фотоэлектрических преобразователей, способных пропускать длинноволновый солнечный спектр, который находится за краем основной полосы поглощения.
Кроме перечисленных параметров, существенного повышения КПД можно достигнуть при помощи создания и повсеместного применения преобразователей с двухсторонней чувствительностью. Это позволит получить порядка 80% добавочной полезной энергии в сравнении с односторонними фотоэлектрическими преобразователями.
Возможно внедрить на практике применение многослойных пленочных светоотделителей, которые будут раскладывать солнечный спектр на две или более спектральные области. Каждый участок спектра будет последовательно преобразовываться отдельным фотоэлектрическим преобразователем.