Saulė yra didžiausia mūsų visatos žvaigždė ir milžiniškas energijos šaltinis. Saulės viduje vyksta cheminės reakcijos, kurių metu vandenilis virsta heliu. To pasekoje kas sekundę 5 mln. tonų saulės masės virsta energija.Viršutinius žemės atmosferos sluoksnius pasiekia tik maža energijos dalis (~5,6*10²⁴J). Apie 35% šios energijos žemės atmosfera atspindi atgal į kosmosą, tačiau ta saulės energijos dalis, kuri vis dėlto prasiskverbia pro atmosferą ir pasiekia žemės paviršių, dešimtis tūkstančių kartų viršija mūsų poreikius. Metinis saulės energijos kiekis tenkantis 1m² žemės paviršiaus sviruoja nuo 7,2J/m² šiaurėje iki 21,4J/m²  dykumuose ir tropikuose. Remiantis šiais skaičiais žmonijos energijos poreikiams patenkinti užtektų per kelias valandas žemės paviršių pasiekiančios saulės energijos. Reikia tik surasti būdus kaip ja pasinaudoti.

Pasitelkiant naujausias technologijas saulės energija gali būti naudojama kaip mechaninė, šilumos arba elektros energija. Saulės energijos apdorojimo įtaisai plačiai naudojami gyvenamųjų ir visuomeninės paskirties pastatų apšildimui, vandens šildimui, įvarių grūdinių kultūrų džiovinimui, kituose technologiniuose procesuose bei kosminiuose aparatuose ir stotyse.
Energijos poreikis didėja su kiekviena diena. Paskutiniuoju metu saulės energijos panadojimo problemoms spręsti yra skiriama labai daug dėmesio ir lėšų. Ir nors šis energijos šaltinis yra neišsenkantis mokslininkų susidomėjimas juo didėja su kiekvienais metais. Remiantis šiandienos tendencijomis viena geičiausiai pasaulyje besivystančių energetikos rūšių yra fotoelektra, paremta tiesioginiu saulės šviesos vertimu į elektros energiją, panaudojant saulės baterijas.

Šiame strapsnyje pabandysiu apžvelgti fotoelektros bei saulės baterijų vystymosi raidą, naudojimo praktiką ir perspektyvas.

Fotoelektra – elektros energija, gaunama tiesiogiai iš šviesos energijos naudojant fotoelektrinius keitiklius.

Fotoelektrinis keitiklis (FEK) – puslaidininkinis įtaisas, skirtas šviesos energijai versti į elektros energiją.

Fotoelektriniu moduliu (FEM) vadinamas toks fotoelektrinis keitiklis, kuris sukonstruotas taip, kad jo gabaritiniai matmenys ir elektriniai parametrai (galia, įtampa) atitiktų tam tikrus sutartinius dydžius.

Saulės baterijų ir fotoelektros raida

Saulės energija žmonės pradėjo naudoti jau senų senovėje. Dar 212 metais po Kr. naudojant koncentruotus saulės spindulius žmonės uždegdavo ugnį šventykluose per religines apeigas. Pasak legendos, maždaug tuo pat metu žymus graikų mokslininkas Archimedas, gindamas savo gimtąjį miestą nuo romėnų, padegė jų laivų bures, panaudojęs saulės spindulius. Tai buvo tik pirmieji elementarūs bandymai kaip panaudoti saulės teikiamą energiją.

Vėliau, 1600 metais Prancūzijoje buvo sukonstruotas pirmasis saulės variklis, kuris dirbo šiltame ore ir buvo naudojamas vandens perpompavimui. XVII amžiaus pabaigoje prancūzų chemikas A. Lavoisier sukūrė pirmą pasaulyje pečių, kuris buvo šildomas panaudojant saulės energiją ir kuriame temperatūra siekė net 1650 °C. Pasaulinėje parodoje, vykusioje Paryžiuje 1878 metais, dar vienas prancūzas A. Mušo pristatė saulės krosnį valgiui gaminti, kurioje 0,5 kg mėsos galima buvo išvirti per 20 minučių. Technologijoms judant į priekį saulės energija buvo pradėta naudoti patalpų bei vandens apšildimui, buvo pradėtos statyti saulės jėgainės, o XX amžiaus antroje pusėje saulės baterijos buvo pradėtos naudoti kosminiuose aparatuose bei kosmoso tyrimų stotyse.

Fotoelektrinių keitiklių istorija prasidėjo 1839 m., prancūzų mokslininkui E.Becquerelui atradus fotoelektrinį efektą. Šiek tiek vėliau, 1941metais buvo pastebėtas kai kurių medžiagų gebėjimas saulės šviesą versti į elektrą. Pradžioje fotoelektriniai keitikliai buvo naudojami laikrodžiams, kalkuliatoriams ir kitai elektroninei aparatūrai maitinti, bet vėliau pradėtas fotoelektrinio efekto taikymas energetikoje bei kosmose. Pirmasis šiuolaikinis fotoelektrinis keitiklis, dar vadinamas saulės elementu, buvo pagamintas JAV Bell’o laboratorijoje 1954 metais.

Kai kurie mokslininkai netgi teigia, kad per tuos 50 metų fotoelektros technologija išsivystė iki potencialiai vienos perspektyviausių XXI amžiui (nors šiuo metu ir brangiausių) elektros generavimo technologijų.

Norėtūsi paminėti keletą naujausių įtaisų, kuriuose pritaikytos saulės baterijos:

• Malaizijos Džohor universiteto mokslininkas Aleks Ki, kuris tiria saulės energijos galimybes, pristatė unikalų išradimą – arbatinuką, kuris veikia saulės baterijų principu.
• Australijos mokslininkai sukūrė specialias miniatiūrines saulės baterijas, kurios gali būti panaudotos mobiliųjų telefonų įkrovimui.
• Kompanija MSI pristatė bene pirmąjį pasaulyje MP3 grotuvą su saulės baterijomis.

Saulės baterijos yra gaminamos iš medžiagų, kurios tiesiogiai verčia šviesos energiją į nuolatinės srovės elektros energiją. Didelė dalis šiuolaikinių saulės baterijų yra gaminamos iš silicio (Si). Silicis yra puslaidininkis ir žemėje plačiai paplitęs smėlio (silicio dioksido) pavidalu.

Saulės baterijos gali būti trijų pagrindinių tipų: monokristalinės, polikristalinės ir amorfinės. Skirtumas tarp šių tipų yra tame kaip išsidėstę atomai silicio kristale ir koks silicis naudojamas elementų gamybai. Nuo baterijos tipo priklauso ir jos efektyvumas. Monokristalinio ir polikristalinio tipo elementų efektyvumas yra beveik toks pats ir didesnis už amorfinio tipo baterijas.

Saulės šviesa į elektrą verčiama puslaidininkiniuose saulės elementuose, tačiau specialiai tam neparuošti jie tiesiogiai negali būti naudojami lauko sąlygomis. Monokristalinio silicio elementai yra trapūs, neatsparūs drėgmei, sunkiai valomi. Be to, elementas generuoja tik 0,5 V nuolatinę įtampą, kuri mažai kur tinka. Todėl praktikoje naudojamos nuosekliai sujungtų 30 – 40 (dažniausiai 36) elementų baterijos, hermetizuotos skaidrioje, aplinkai atsparioje medžiagoje. Tokie gaminiai jau vadinami fotoelektriniais moduliais, kurie dažniausiai naudojami fotoelktrinėse sistemuose (mažose elektrinėse). Jos skirstomos į tris pagrindines grupes:

a)      Autonominės fotoelektrinės sistemos (AFES)

b)      Su tinklu sujungtos fotoelektrinės sistemos

c)      Rezervinės fotoelektrinės sistemos (RFES)

Dabar trumpai panagrinėkime kiekvieną sistemą:

a) Autonominės fotoelektrinės sistemos naudojamos ten kur nėra centralizuotų elektros energijos tinklų. Kad apsirūpinti elektros energiją tamsiu paros metu arba tada, kai nešviečia saulė reikalingas akumuliatorius. Dažniausiai jos naudojamos, kad aprūpinti elektros energiją atskirus namus.

Kai yra priėjimas prie elektros tinklo, bet norisi turėti energiją iš ekologiškai švaraus energijos šaltinio, tada saulės baterijų panelės gali būti prijungtos prie elektros tinklo. Jeigu yra sujungta pakankamai daug fotoelektrinių modulių, tai dalis name esančių įtaisų gali maitintis iš  saulės gaunamos energijos. Kadangi fotoelektriniai moduliai generuoja nuolatinę srovę, kintamos srovės imtuvams būtinas inverteris. Jis nuolatinės srovės elektros energiją pakeičia į standartinės įtampos ir dažnio kintamosios srovės energiją.

Kažkada žmonės išvis nemokėjo panaudoti saulės energijos, jiems jį buvo tik paslaptingas daugaus kūnas, bet dabar žmonės jau moka gauti iš saulės ekologiškai švarios energijos ir kaip rodo statistika saulės energijos panaudojimas visame pasaulyje labai sparčiai auga.

Iš viso šito galime padaryti išvadas, kad nuolat brangstant iškastiniam kurui, senkant jo ištekliams ir didėjant aplinkos taršai, sparčiai plėtojama atsinaujinančiųjų šaltinių energetika, tarp jų ir didžiausiojo šaltinio – saulės energetika. To pasekoje artimiausioje ateityje visame pasaulyje galima laukti ženkliai spartesnės fotoelektros plėtros. Palankias sąlygas tam sudaro sparti mokslo bei technologinė pažanga fotoelektros srityje, įžvalgi mokslininkų strategija, priimtos direktyvos atsinaujinančiosios energetikos srityje ir struktūrinių fondų parama.