Фотовольтаика – способ получения электроэнергии путем применения фоточувствительных элементов с целью преобразования энергии солнца в электроэнергию. По информации EPIA наиболее популярной является кремниевая солнечная технология (90% рынка). Солнечные элементы на основе кремния производят из поликристаллического (мультикристаллического), монокристаллического или аморфного кремния (например, гибкие солнечные модули).

Гибкие панели можно размещать на самых разных поверхностях, что расширяет площадь покрытия батареями, а модули, оснащенные линзовыми системами, которые концентрируют солнечное излучение, позволяют экономить средства на дорогостоящем материале. В солнечной энергетике наряду с кремниевой кристаллической технологией используется тонкопленочная технология. Она заключается в нанесении пленок соединений на подложку из пластика или стекла. Соединения могут быть различными: многослойные соединения, соединения типа галлий-диселенид/медь-индий/дисульфид, многослойные соединения.

Но, каким бы методом ни вырабатывалась солнечная энергия, остается вопрос о техническом осуществлении задуманного. Самым распространенным в бытовом использовании солнечной энергии является подключение солнечного модуля к внешней электросети. Это дает возможность продавать излишки энергии солнца поставщикам традиционной электрической энергии из сети. Когда солнечного излучения нет, то электроэнергия поступает прямо из централизованной электросети. Крыши заводских цехов, аэродромов, просторы полей – отличная площадка для солнечных модулей. Системы солнечной энергетики по технической реализации походят на бытовые, так как потребители подключаются также и к внешней электрической цепи.

Сельская электрификация развивающихся стран, труднодоступных районов и районов, которые не имеют возможности подключиться к централизованной электросети, обеспечение электроэнергией газовщиков, нефтяников, спасателей МЧС, всех, кто находится вдали от централизованных электрических сетей, может легко воплотиться при помощи солнечных модулей. Можно комбинировать источники разных видов альтернативной энергии. Питание маяков, светофоров, удаленных станций сотовой связи и т.д. – перспективные направления для развития автономной солнечной энергетики.

Производство солнечных батарей на основе кремния продолжает оставаться в солнечной энергетике дорогостоящим: из кремниевого авангарда самым дешевым является аморфный кремний. Уменьшить расходы на производство могла бы тонкопленочная технология. Хорошо было бы нанести материал на поверхность подложки, исключив при этом некоторые технологические операции с моно- и поликремнием. Но применение тонких пленок требует от материала автоматически высокого значения коэффициента поглощения. Тонкие пленки кремния для этого не слишком хороши, так как это непрямозонный материал (КПД 6-9%). Чтобы увеличить поглощение для непрямозонного материала, необходимо увеличить его толщину. Более подходящими соединениями являются CdTe и CuInSe2, КПД которых до 20%.

• Цены на солнечную энергию более конкурентны, чем принято думать
• Хевел завершает возведение завода, который будет производить солнечные модули
• Учёные разработали солнечные элементы с жидкими нанокристаллами
• Ученые разработали дешевую и высокоэффективную солнечную технологию
• Ученые изобрели более дешевый и устойчивый аналог панелей
• Устройство солнечной батареи и солнечной панели
• Улучшение измерений мощности может ускорить развитие солнечных элементов
• Тибет получает солнечный проект

Недостатками тонкопленочной технологии является относительная непредсказуемость структуры, выращенной на подложке, сложность формирования омических контактов, а также эффекты, которые вносят разные желаемые и не желаемые неоднородности тонкой пленки (атомы серы в CuInSe2 , атомы примесей). Значительно сократить стоимость солнечных блоков и повысить удельную мощность можно при помощи концентраторов. Применение недорогой оптики для концентрирования энергии солнца на небольших площадях повышает КПД до 37%.

В целом, причинами понижения КПД считаются рекомбинационные процессы, различия между шириной запрещенной зоны и энергией падающих фотонов (меньше Eg – материал прозрачен, больше – лишняя энергия отдается кристаллической решетке в виде тепла), отражение от поверхности. Каскадные солнечные элементы повышают КПД. Здесь солнечные элементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны по направлению следования светового луча. В солнечных ячейках третьего поколения на основе применения многослойных соединений этот теоретический предел «обходится». Процессы взаимного преобразования электрической и солнечной энергии в растворах электролитов с электродами исследует фотоэлектрохимия.

Фотоэлектрохимические системы были созданы в 70-х – 80-х годах прошлого столетия, они основываются на помещении полупроводникового электрода в раствор электролита. Источник энергии, полученный таким образом, имеет определенные преимущества: для создания перехода нужно всего лишь поместить полупроводниковый электрод в электролит, в результате получается недеформированный и почти идеальный переход, для конвертации энергии солнца в энергию химических реакций соединяющие проводники не нужны. Недостатки: ограниченный период службы электрода, дорогая установка.

Итак, полупроводниковый электрод необходимо погрузить в электролит. Скорость протекания электрохимических реакций находится в пропорциональной зависимости от концентрации носителей заряда на поверхности полупроводника-электрода, которые подвижны. Так как концентрация подвижных зарядов в полупроводнике небольшая (если сравнивать с металлами), то полупроводниковая обкладка двойного слоя электролита диффузна. Если есть новый полупроводник-донор в качестве электрода, то при его освещении появляются фотоэлектроны, начинающие свое движение по направлению от омического контакта, а дырки, появляющиеся в валентной зоне, принимают участие в анодных реакциях на электроде. Электроны, которые прошли всю цепь, снова возвращаются во второй электрод и затем в раствор, участвуя в катодных реакциях таким образом. Это позволяет сохранить электронейтральность раствора, в который помещен полупроводниковый электрод.

Отметим, что диффузная длина неосновных носителей заряда очень важна. Вещество, где большое количество дефектов и разнородностей, имеет малое значение диффузионной длины. Дырки и электроны не успевают достичь поверхности для рекомбинирования или участия в химической реакции. С помощью наноразмерных структур можно сократить требования к диффузионной длине, которая по размерам должна приравниваться к размерам самого устройства.

Активным веществом могут быть молекулы красителя, которые адсорбируются на поверхности TiO2 стержня, не поглощающего солнечное излучение по причине чрезмерно большой ширины запрещенной зоны. Молекулы красителя переходят в возбужденное состояние, поэтому электроны переходят в TiO2, а в самом красителе образуются дырки. Так происходит разделение зарядов, которое необходимо для работы солнечного модуля. В возбужденном красителе изначально электрон и дырка находятся в экситонном состоянии, и разделить заряд невозможно. Лишь при диссоциации (когда электрод погружен в раствор электролита) осуществляется пространственное разделение зарядов и вырабатывается электрический ток. Электроны, возвратившись во второй электрод (металл, как правило), диффундируют в раствор неводного электролита, и происходит восстановление молекул красителя.

Кроме того, что фотоэлектрохимические устройства могут являться источниками электроэнергии, они могут хранить ее. Устройство хранения обладает тремя электродам. В темноте протекают обратные реакции с обратным током электронов. Реакция на катоде аналогична с той разницей, что поток электронов идет не от фотоанода, а от дополнительного третьего электрода.

Органические солнечные модули отличаются от фотохимических тем, что вместо электролита и электрода применяются органические соединения, которыми могут являться молекулярные проводники (фталоцианин Р-типа и перилен n-типа), полупроводниковые полимеры (фуллерен n-типа и политиофен p-типа). В органических соединениях после поглощения света не возникает пары «свободный электрон-дырка». Создается экситон – электрон и дырка в связанном состоянии. Экситон нейтрален электрически, поэтому разделение заряда не происходит. Когда экситоны диффундируют к границе раздела, то возникает диссоциация – дырки затягиваются - в p-область, а электроны - в n-область.

Фотовольтаика – одна самых перспективных направлений альтернативной энергетики. Начиная с 3-его искусственного спутника Земли, все космические аппараты обеспечивались солнечными батареями. Сегодня подобные модули участвуют в энергообеспечении некоторых домов, применяются в качестве переносных источников энергии.