Останнім часом через стрімкий розвиток космічної техніки у світі зросла цікавість до установок, які безпосередньо перетворюють сонячну радіацію на електричну енергію за допомогою напівпровідникових фотоелектрон перетворювачів (ФЕП). Вартість електроенергії, що виробляється фотоелектричними установками (ФЕП) на сьогодні в декілька разів вища, ніж на електричних станціях з тепловим циклом. Незважаючи на це, ФЕП активно впроваджуються як у розвинутих країнах, так і в країнах, що розвиваються. При цьому можна дослідити дві протилежні тенденції.

На сьогодні понад 30 країн світу використовують процес прямого перетворення сонячної енергії на електричну. Сумарна потужність вироблених за рік фотоелектричних перетворювачів становить близько 65 МВт, з них по 1/3 у США та Японії, 20% – в Європі.

Свою популярність як джерело енергії фотоелементи здобували в космічних програмах. І лише у 80-х роках реалізація фотоелементних установок набула комерційного розвитку після зниження цін завдяки новітнім технологіям.

Вперше явище фотоефекту дослідив французький фізик Беккерель 1839 року, отримавши потік електронів при освітленні сонячним світлом пластини оксиду міді. Винахід був широко впроваджений у життя після відкриття напівпровідників. Як світлочутлива зона фотоелементів використовуються селен (Se), кристалічний кремній (Si), аморфний кремній (SiGe) тощо. Фотоефект утворюється, коли фотон (світловий промінь) падає на елемент із двох матеріалів з різним типом електричної провідності (дірчастий або електронний). Потрапивши в такий матеріал, фотон вибиває електрон з його комірки, утворюючи вільний від’ємний заряд і “дірку”. В результаті рівновага так званого “р-n”-переходу порушується, і в колі виникає електричний струм. Будову і кремнієвого фотоелемента показано на рис. Найближчими “родичами” сонячних фотоелементів є транзистори, світлодіоди та інші електронні пристрої.

Чутливість фотоелемента залежить від довжини хвилі світла та прозорості верхнього шару елемента. В яснупогоду кремнієві елементи виробляють електричний струм приблизно 0,5 В і 25 мА на 1 см2 або 12-13 мкВт/см . Найбільш поширені кремнієві фотоелементи. Вони бувають монокристалічні та полікристалічні. Різниця між цими матеріалами полягає в специфіці отримання початкових кремнієвих заготовок при їх вирощуванні з розплавів. Монокристал і чиста заготовка більш однорідна але дорожча. Полікристалічна – менш однорідна має нижчу вартість, що може бути вирішальним фактором, коли йдеться про виготовлення фотоелементів. Теоретична ефективність кремнієвих елементів становить приблизно 32%, а практична – від 14% до 16%.

Незважаючи на поширену хибну думку, насправді фотоелементи виробляють більше енергії при низьких температурах. Це пояснюється тим, що фотоелементи – це електронні пристрої й виробляють енергію від світла, а не від тепла, тобто працюють ефективніше в холоді, ніж при високих температурах. А взимку вони виробляють менше енергії лише за рахунок скорочення світлового дня, тому що кут падіння сонячного світла у цей період менший, а хмарність більша.

За допомогою послідовно-паралельних електричних сполучень сонячні елементи складають у сонячну (фотоелектричну) батарею в герметичному корпусі. Потужність сонячних батарей, що серійно випускаються промисловістю, становить 50-200 Вт. На сонячних фотоелектричних станціях сонячні батареї використовуються для складання фотоелектричних генераторів. На рис. представлені склад та блок-схема сонячної фотоелектричної станції. Термін служби такої станції становить 20-30 років, експлуатаційні витрати мінімальні.

Сонячні фотоелектричні станції використовуються для живлення водопідйомних насосів, телекомунікаційних систем, катодного захисту трубопроводів, в домашніх господарствах тощо.

Сонячні фотоелектричні системи володіють такими переваг:

– Їх робота технічно дуже проста, немає частин, що обертаються, і немає потреби в експлуатаційному  обслуговуванні, окрім періодичного очищення поверхні сонячних панелей.

– Сонячні панелі виробляють електроенергію, яка може запасатися в акумуляторних батареях і споживатися залежно від ємкості акумуляторної батареї.

– Вироблення електричної енергії фотоелектричним процесом абсолютно безшумне і не випускає жодних вуглекислотних і інших токсичних випарів.

– Фотоелектричні сонячні панелі необхідні і незамінні у важкодоступних і видалених районах, де створення ліній електропередач економічно невигодно.

Кремній, з якого виготовляються сонячні елементи, називають “нафтою 21-го століття”. Розрахунки показують, що сонячний елемент з ККД 15 %, на яких пішло 1 кг кремнію, за 30 років служби можуть виробити 300 Мвт*год електроенергії. Рівну кількість електроенергії можна отримати, витративши 75 т нафти (з врахуванням ККД теплоелектростанцій 33 % і теплотворній здатності нафти 43,7 Мдж/кг). Таким чином, 1 кг кремнію виявляється еквівалентний 75 т нафті.

Основною перешкодою на шляху розвитку фотоенергетики є велика вартість встановленої потужності та, відповідно, генерованої електроенергії. За станом на 2011 рік середня вартість встановленої потужності сонячних батарей становила приблизно 8 грн./Вт, а вартість генерованої електроенергії 0,3-0,4 грн./кВт·год.

На завершення демонстраційне відео про роботу сонячних панелей:

http://www.youtube.com/watch?v=aNTFc1YAYCU&feature=player_embedded