2.4.1. Кремниевые солнечные батареи

Основным материалом для изготовления солнечных батарей в настоящее время является кремний. КПД таких батарей превышает 15%. Каждая батарея состоит из огромного количества силиконовых ячеек, которые за счет фотоэлектрического эффекта способны производить электрическую энергию при попадании на них солнечного излучения.

Фотопреобразователи для солнечных батарей изготавливают из поликристаллического, монокристаллического или аморфного кремния. Несомненными преимуществами использования кремния являются его широкая распространенность в природе и нетоксичность. Сырьем для производства элементов служит обычный песок. Однако для получения из него высокоочищенного и светочувствительного кремния требуются достаточно дорогостоящие технологические процессы. Тщательная очистка песка и получение из него монокристаллического или поликристаллического кремния являются достаточно дорогостоящими операциями. Поэтому фотопреобразователи на основе аморфного кремния наиболее дешевые. Однако, они имеют небольшую мощность и меньший срок службы. Солнечные элементы из монокристаллического кремния вырезают из кварцевых пластин.

Элементы из поликристаллического кремния изготавливаются методом литья и состоят из множества связанных кристаллов, являются более дешевыми. Каждый элемент запрессовывают в прочный пластмассовый или стеклянный дисковый корпус, из которых набирают разные по мощности и размерам модули, внешне напоминающие соты, а из модулей уже формируют солнечную батарею. Солнечные элементы соединяются последовательно или последовательно-параллельно для получения необходимых электрических параметров по току и напряжению.

Использование достижений нанотехнологий позволяет значительно улучшить характеристики кремниевых солнечных элементов. К примеру, все больший интерес вызывают устройства на основе тонких плёнок (так называемое второе поколение солнечных батарей) и устройства с высокой эффективностью и малой стоимостью (третье поколение).Хорошо подобранные наноструктуры позволяют значительно сократить дистанцию, которую требуется преодолеть носителям заряда, что заметно увеличивает эффективность энергосъема.

Несмотря на создание различных типов тонкопленочных солнечных батарей кристаллический кремний продолжает составлять основную долю в мировом производстве солнечных батарей наземного применения.

2.4.2. Органические солнечные батареи

Органическая наноэлектроника – очень быстро развивающаяся в настоящее время область. Она имеет дело с приборами, в которых полупроводник является органическим материалом, т.е. состоит в основном углерода, азота, водорода и кислорода. Использование органических материалов в солнечной энергетике позволить существенно снизить стоимость солнечных батарей. Основной материал солнечных батарей – кремний – достаточно дорогой материал. Использование органики позволит снизить их стоимость примерно в 4 раза. Стремительно растет КПД органических солнечных батарей.

Солнечные элементы, созданные на базе органических красителей, позволяют достигнуть КПД - 9%. Принцип их работы заключается в поглощении фотонов недорогой тонкопленочной структурой, содержащей молекулы красителя, закрепленные в слое оксида титана, нанесенном на стеклянную или пластмассовую подложку. Поглощение фотона приводит к возбуждению молекулы красителя, из которой высвобождаются электроны. Затем они попадают в слой оксида титана, по которому передаются к отрицательному выводу элемента.

Возможны два варианта увеличения полезной площади элемента. В одном фоточувствительный слой наносили на поверхность наночастиц, в другом – на поверхность нанотрубок. Использование наночастиц увеличивает площадь, но затрудняет движение электронов. Нанотрубки лишены этого недостатка, но не так заметно увеличивают полезную площадь. Объединив эти две методики - смешав наночастицы и нанотрубки – можно достичь высокой эффективности фотопреобразования.