Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300—350 К и Т_солнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД>90 %. На данный момент существует несколько типов полупроводниковых ФЭП, изготовленные из кремния, германия, монокристаллического или аморфного материала, гетероструктурные элементы из арсенид-галлия (GaAr). Последние характеризуются относительно высоким КПД преобразования энергии – 35-40%. КПД ФЭП из кристаллического кремния составляет 14-15%. Рассматриваются вопросы применения и разработки гетероструктурных пленочных фотоэлементов.

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте – появлении электродвижущей силы (ЭДС) в полупроводнике при поглощении в нем электромагнитного излучения. Появление ЭДС обусловлено пространственным разделением генерируемых излучением носителей заряда (фотоносителей). Разделение фотоносителей происходит в процессе их диффузии и дрейфа в электрическом и магнитном полях из-за неравномерной генерации, неоднородности кристалла, воздействия внешнего магнитного поля, одноосного сжатия и др. В рассматриваемых фотоэлементах основную роль в возникновении ЭДС играет неоднородность кристалла. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны. Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Рассмотрим работу фотоэлектронного преобразователя с p-n- переходом, который широко применяется в современной солнечной энергетике. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (т.е. или p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фотоэдс при облучении ФЭП солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е. электроны) свободно проходят через переход, а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда (фотоэлектронов и фотодырок), что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней, освещённой поверхности преобразователя, контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными.

На основе полупроводниковых фотопреобразователей построены такие изделия микроэлектроники как фотодиод, фототранзистор, фототиристор.

Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой изолятора i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Фототиристор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора, но отличающийся от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, падающим на тиристорную структуру. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет — менее 1 мкс. Фототиристоры обычно изготавливают из кремния, и спектральная характеристика у них такая же, как и у других кремниевых фоточуствительных элементов. Разновидностью фототиристора является оптотиристор, в котором источник света -- светодиод из арсенида галлия -- интегрирован в одном светонепроницаемом корпусе с кремниевой тиристорной структурой.

Шаблон Байера — двумерный массив цветных фильтров, которыми накрыты фотодиоды матриц (фото), и состоящий из 25 % красных элементов, 25 % синих и 50 % зелёных элементов, расположенных как показано на рис.1.

Назван в честь его создателя, доктора Брайса Э. Байера (англ. Bryce Bayer), сотрудника компании Kodak.

Используется для получения цветного изображения в матрицах цифровых фотоаппаратов, видеокамер и сканеров.

Для отличия от других разновидностей его называют GRGB, RGBG, или (если надо подчеркнуть диагональное расположение красного и синего пикселов) RGGB.
Исторически самый первый из массивов цветных фильтров.

Матрица является устройством, воспринимающим спроецированное на него изображение. Поскольку полупроводниковые фотоприёмники примерно одинаково чувствительны ко всем цветам видимого спектра, для воспринятия цветного изображения каждый фотоприемник накрывается светофильтром одного из первичных цветов: красного, зелёного, синего (цветовая модель RGB).
Вследствие использования фильтров каждый фотоприемник воспринимает лишь 1/3 цветовой информации участка изображения, а 2/3 отсекается фильтром. Для получения остальных цветовых компонент используются значения из соседних ячеек. Недостающие компоненты цвета рассчитываются процессором камеры на основании данных из соседних ячеек в результате интерполяции (по алгоритму demosaicing) Таким образом, в формировании конечного значения цветного пиксела участвует 9 или более фотодиодов матрицы.

В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трёх основных цветов в порядке как на рис.2.

При этом фотодиодов зелёного цвета в каждой ячейке в два раза больше, чем фотодиодов других цветов, в результате разрешающая способность такой структуры максимальна в зелёной области спектра, что соответствует особенностям человеческого зрения.

Фототранзистор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.

Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами — предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.

Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Без входного электрического сигнала, который обычно необходим для смещения, компенсирующего наводки, фототранзистор работает как фотодиод с высокой интегральной чувствительностью, небольшой граничной частотой и большим темновым током. Фототранзисторы целесообразно использовать для регистрации больших световых сигналов; при регистрации малых световых сигналов следует подать положительное смещение на базу. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников и транзисторных оптопарах.