Фотоэлектрические системы являются привлекательной альтернативой ископаемому или ядерному топливу для производства электроэнергии. Солнечный свет бесплатен, он не расходует невосполнимые ресурсы, а его преобразование в электричество не загрязняет окружающую среду. Фотовольтаика используется там, где прокладка линий электропередач от коммунальных сетей невозможна или не существует, например в космосе или в отдаленных загородных районах.
Препятствием для широкого использования солнечного света для выработки электроэнергии является стоимость фотоэлектрических систем. Применение материаловедения имеет большое значение для снижения стоимости до уровня, который может конкурировать с ценами на ископаемое или ядерное топливо.
Преобразование света в электричество зависит от электронной структуры солнечных элементов с двумя или более слоями полупроводникового материала, способного поглощать фотоны — первичные энергетические пакеты света. Фотоны повышают энергетический уровень электронов в полупроводнике, заставляя некоторые из них переходить из низкоэнергетической валентной полосы в высокоэнергетическую полосу проводимости. Электроны в полосе проводимости и дырки, которые они оставили в валентной полосе, подвижны и могут быть побуждены к движению напряжением. Движение электронов и движение дырок в противоположном направлении образуют электрический ток. Сила, которая гонит электроны и дырки по цепи, возникает при соединении двух разнородных полупроводниковых материалов, один из которых имеет тенденцию отдавать электроны и приобретать дырки (тем самым становясь положительным, или p-типом, носителем заряда), а другой принимает электроны (становясь отрицательным, или n-типом, носителем). Электронная структура, которая позволяет это делать, — это зазор между полосами; он равен энергии, необходимой для перемещения электрона из нижней полосы в верхнюю. Величина этого зазора очень важна. Только фотоны с энергией, превышающей энергию зазора, могут перевести электроны из валентной полосы в полосу проводимости; поэтому чем меньше зазор, тем эффективнее свет будет преобразовываться в электричество — ведь существует больший диапазон световых частот с достаточно высокой энергией. С другой стороны, зазор не может быть таким, чтобы
Зазор определяет теоретическую максимальную эффективность солнечного элемента, но она не может быть достигнута из-за других факторов материала. Для каждого материала существует внутренняя скорость рекомбинации электронов и дырок, которая устраняет их вклад в электрический ток. Эта рекомбинация усиливается поверхностями, границами раздела и дефектами кристалла, такими как границы зерен, дислокации и примеси. Кроме того, часть света отражается от поверхности ячейки, а не поглощается, а часть может проходить через ячейку, не возбуждая электроны в полосе проводимости.
Улучшение компромисса между эффективностью и стоимостью элементов хорошо видно на примере получения кремния, который является основным материалом для современных солнечных батарей. Первоначально кремний высокой чистоты выращивался из расплава кремния путем медленного извлечения затравочного кристалла, который рос за счет нарастания и медленного застывания расплавленного материала. В результате этого процесса, известного как процесс Чохральского, получался монокристаллический слиток высокой чистоты, который затем нарезался на пластины толщиной около 1 миллиметра (0,04 дюйма). Затем поверхность каждой пластины «легировалась» примесями, чтобы создать материалы p-типа и n-типа с переходом между ними. Затем наносился металл для обеспечения электрических проводов, и пластина заключалась в капсулу, чтобы получить ячейку диаметром около 100 миллиметров. Это был дорогостоящий и трудоемкий процесс, но в настоящее время он значительно усовершенствован. Например, кремний высокой чистоты можно получать по резко сниженной цене, химически превращая обычный кремний в силан или трихлорсилан, а затем снова восстанавливая его до кремния. Этот силановый процесс может работать непрерывно с высокой производительностью и низкими затратами энергии. Чтобы избежать затрат и отходов, связанных с распиловкой кремния на пластины, были разработаны методы прямого вытягивания расплавленного кремния в тонкие листы или ленты; они позволяют получать кристаллический, поликристаллический или аморфный материал. Другой альтернативой является производство тонких пленок на керамических подложках — процесс, в котором используется гораздо меньше кремния.
Обработка поверхности, повышающая эффективность, включает нанесение антиотражающих покрытий, таких как нитрид кремния, на переднюю часть ячейки и высокоотражающих покрытий на заднюю часть. Таким образом, больше света, попадающего на ячейку, фактически попадает в нее, а свет, выходящий через заднюю часть, отражается обратно в ячейку. Продуманная обработка поверхности является частью метода точечного контакта, при котором поверхность ячейки не плоская, а микрошероховатая, так что свет отражается случайным образом, когда он падает на ячейку. Это увеличивает количество света, которое может быть захвачено ячейкой.
