При відповідному виборі опору навантаження енергія, що виробляється сонячним елементом, може досягати 80% від добутку UxxIкз. На рис. 1 показані також значення Uм та Iм – значення струму та напруги, для яких реалізується максимальна вихідна потужність Рм = UмIм. Коефіцієнт корисної дії ККД сонячного елементу визначається як відношення максимальної вихідної потужності Рм до потужності падаючого сонячного світла Р0: ККД= Рм/ Р0.
Схема сонячного елементу з p-n переходом та його вольт-амперна характеристика. Цифрою 1 показано омічні контакти до n- та p- областей.
Чим більше фотонів сонячного світла поглинається сонячним елементом, тим більшим буде у нього струм Ікз. Це може бути досягнено за рахунок використання напівпровідників з меншою шириною забороненої зони (тоді підвищується доля фотонів в сонячному випромінюванні, які мають енергію вищу ширини забороненої зони напівпровідника). З іншого боку, напруга Uxx визначаються висотою потенціального бар’єру в p-n переході і буде тим більша, чим більша ширина забороненої зони напівпровідника. Оскільки для отримання максимальної вихідної потужності сонячного елементу треба створити такий елемент, у якого будуть найбільшими не величини Uхх чи Iкз окремо, а добуток Рм = UмIм, та, враховуючи розподіл енергії в спектрі сонячного випромінювання, можна підібрати найкращий напівпровідниковий матеріал для створення ефективних сонячних елементів. Такий матеріал повинен мати ширину забороненої зони 1.3-1.5 еВ. Це, насамперед, арсенід галію, теоретична межа максимального коефіцієнту корисної дії сонячних елементів на ньому більше 31%. Проте найбільш широкого застосування набули сонячні елементи на основі більш дешевого ніж арсенід галію кремнію, хоча в нього ширина забороненої зони менша оптимальної (1.1 еВ), і тому теоретична межа максимального коефіцієнту корисної дії менша (до 29%).
Домінуюча позиція кремнієвої технології у промисловій сонячній енергетиці (90% світового виробництва сонячних елементів) визначає сучасні тенденції науково-технічного розвитку цієї галузі. Перевагами кремнієвої технології є достатня наявність кремнію у природі, його хімічна стабільність і відсутність будь-якого токсичного впливу на людей і навколишнє середовище, сумісність технології кремнієвих сонячних елементів і базових процесів мікроелектроніки. Ефективність промислових сонячних елементів на мульти- і монокристалічному кремнії вже досягла 14-18%, лабораторних зразків- 22-24%.
Чому ж ефективність сонячних елементів менша 100%? По-перше, не всі пари носіїв струму можуть бути розведені полем. Деякі з них можуть рекомбінувати (гинути) в результаті переходу збудженого електрона із зони провідності у валентну зону. По-друге, кванти світла з енергією меншою ширини забороненої зони, не поглинаються напівпровідником і не беруть участі у фотоелектричному процесі. По-третє, електрони і дірки, збуджені квантами світла з енергією, значно більшою ніж ширина забороненої зони, за дуже короткий час віддають надлишок енергії і опускаються до дна зони провідності (електрони) чи піднімаються до вершини валентної зони (дірки). Надлишкова енергія при цьому йде не на створення струму в зовнішньому колі, а на підвищення температури напівпровідника.
Яку ж електричну енергію можна отримати від сонячного елементу? Це визначається як умовами освітлення, так і характеристиками сонячного елементу. На рис.2 подано фотографію типового промислового сонячного елементу на монокристалічному кремнію розміром 100х100 мм2 та товщиною 280 мкм. При коефіцієнті корисної дії 14.5% в умовах стандартизованого освітлення потужністю 100 мВт/см2, сонячний спектр якого відповідає атмосферній масі 1.5 (положення Сонця під кутом 45о), такий елемент може подати на зовнішнє навантаження напругу 0.49В (Uxx=0.6В) та струм 3А (Ікз=3.3А), тобто виділити 1.45Вт потужності. Проте такий рівень освітлення існує лише на малих широтах влітку, у полудень при ясному небі. Тому при розрахунку електричної енергії від сонячного елементу треба знати кількість сонячної енергії, яка поступає протягом року в даній місцевості.
Фотографія лицевої поверхні кремнієвого сонячного елементу, який має форму “псевдоквадрату”. Струмозбираюча металева сітка покриває поверхню з кроком 2 мм, загальний струм протікає через 2 шини товщиною 2 мм.
Вихідна потужність сонячного елементу може бути підвищена також за рахунок збільшення площі сонячного елементу (оскільки Ікз лінійно зростає з площею освітленого елементу), однак кремнієві елементи з більшою площею (150х150 чи 200х200 мм2) ще не так поширені ніж елементи 100х100 мм2.
Як видно, на відміну інтегральних схем та інших мініатюрних приладів сучасної мікроелектроніки, сонячні елементи характеризуються великою площею, що дозволяє отримувати великі струми (порядку одиниць ампера). Для зменшення можливих електричних втрат при проходженні такого великого струму лицева сторона елемента покривається електропровідною металевою плівкою. Її звичайно роблять у вигляді гребінки (рис.2) для того, щоб сонячне світло пройшло крізь металевий контакт без втрат та поглинулося у напівпровідниковому матеріалі. Для зменшення втрат сонячного світла на оптичне відбивання від поверхні напівпровідника n- область часто текстурують (наприклад, витравлюють спеціальні піраміди мікронних розмірів) та покривають антивідбиваючим шаром діелектрика. Тобто реально конструкція сонячного елементу більш складна, ніж та, що показана на рис.1.
Для практичного використання напівпровідникової сонячної енергетики для живлення навіть малогабаритної радіоапаратури одного сонячного елемента замало – у нього недостатня напруга за загальна вихідна потужність. Тому із окремих сонячних елементів збирають сонячні батареї (фотомодулі). Типова батарея номіналом 50 Вт складається із 36 послідовно з’єднаних сонячних елементів 100х100 мм2. Така батарея в робочій точці розвиває 17 В при струмі 3 А при освітленні 100 мВт/см2 (рис.3).
З’єднуючи такі фотомодулі, можна створювати електричні станції різної потужності, від декількох кіловатт до декількох мегаватт. На рис.4 дано принциповий вигляд установки для живлення побутової техніки в котеджі. Окрім сонячних батарей, які розміщують на фасаді чи на даху котеджу, до установки входить також ще два важливих прилади
