Гелиосистемы, Алматы

Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) —полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Однако для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества. Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.), называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).

Фотоэлектрические панели или, проще говоря, солнечные батареи состоят из ячеек, которые называютсяфотоэлементами. Преобладающее большинство солнечных фотоэлементов производят из кремния, так как этот химический элемент широко распространен на планете Земля. Для производства фотоэлементов используют три типа кремния: монокристаллический, поликристаллический и аморфный.
Для производства фотоэлементов кремний тщательно очищают от всевозможных примесей. Путем легирования наружной поверхности химическими элементами (фосфором, азотом, мышьяком или селеном) в этом слое создается избыток свободных электронов. Поэтому его называют n-слоем (от англ. слова negative - отрицательный). Внутреннюю поверхность фотоэлемента легируют другими элементами (бором, алюминием, галлием или индием). За счет этого в слое наблюдается избыток «дырок» (мест, где потенциально должны были находиться электроны). Поэтому его называют p-слоем (от англ. слова positive - положительный). Принцип работы солнечных панелей основан на фотоэлектрическом эффекте. Солнечный свет представляет собой поток фотонов (элементарных частиц). Проходя через фотоэлемент, фотоны выбивают электроны со своих орбиталей. В итоге в фотоэлементе появляются свободные электроны. Так как в n-слое — избыток электронов, а в р-слое — недостаток, электроны из n-слоя переходят в р-слой. В это же время «дырки» из р-слоя перетекают в n-слой. В результате перетечки зарядов у границы n- и p-слоёв образуются зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны образуют p-n переход. В p-n переходе возникает потенциальный барьер, который препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов, со стороны p-слоя в n-слой. Однако, неосновные носители («дырки») беспрепятственно проходят в n-слой. На внутренней поверхности фотоэлемента находится металлическая подложка, которая соединена с электродом, расположенным на наружной поверхности фотоэлемента. Они образуют внешнюю электрическую цепь, по которой электроны из р-слоя текут по направлению к n-слою.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч.Ήλιος, Helios — Солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли (AM0), составляет около 1366 ватт^[2]на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D ^[3][4]). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может^[5] быть менее 100 Вт/м². С помощью наиболее распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9—24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях.

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5x5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд.

В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26—30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния.

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4х4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольцасоздали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 % .

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.