Приключения фотовольтаики

В 1839 году французский учёный Александр Беккерель открыл фотоэлектрический (как говорят за рубежом, «фотовольтаический») эффект. Беккерель экспериментировал с металлическими пластинками, погружёнными в кислотный раствор, и обнаружил, что полученная электролитическая ячейка на свету давала больший ток, чем в темноте.

ВЕК БОЛЬШИХ ОТКРЫТИЙ

В 1873 году английский инженер Уиллоуби Смит открыл зависимость проводимости селена от его освещённости. В конце 1860-х он работал на прокладке трансатлантического кабеля, где с помощью селеновых стержней искал в нём дефекты, прежде чем погружать его на морское дно. Смит заметил, что диагностическое устройство хорошо работает ночью, но перестаёт давать результаты с восходом солнца. Заинтересованный необычным поведением селена, инженер поместил стержни в закрытый ящик. Выяснилось, что в отсутствие света их сопротивление было максимальным, а на свету - резко снижалось. Тремя годами позже, в 1876-м, британские физики Уильям Адамс и Ричард Дей смогли перевести селен в режим фотоэлектрической генерации.

Почти полвека понадобилось для того, чтобы от изначального открытия фотоэлектрического эффекта дойти до изготовления селенового элемента, предназначавшегося для солнечной генерации. Это сделал в 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриттс. Он нанёс на металлическую пластину тонкий слой селена, а сверху покрыл его полупрозрачным слоем сусального золота. Полученные панели Фриттс установил на крыше одного из домов в Нью-Йорке. Имея небольшой КПД (около 1%), они непрерывно вырабатывали ток даже при плохом освещении.

И ещё полвека прошло до тех пор, пока появились фотоэлектрические преобразователи с КПД выше 1%. Это были серноталлиевые элементы с запирающим слоем, созданные в 1930-х.

Немалую роль в развитии солнечной энергетики сыграл Альберт Эйнштейн. В 1905 году он опубликовал научную статью, где описал, каким образом свет несёт энергию и как возникает фотоэлектрический эффект. Физики, раньше вынужденные работать вслепую методом проб и ошибок, получили ориентир для прицельных исследований. А мировая общественность наконец признала легитимность получения электричества из солнечного света.

КРЕМНИЕВЫЙ ВЕК

Переходом к кремнию, основному полупроводниковому материалу для производства солнечных панелей, мы обязаны американскому инженеру Расселу Олу. В 1940-м он обнаружил p-n-переход в кристаллах кремния, после чего началась эра полупроводников. Любопытно, что это открытие было сделано случайно. В руки Ола попал бракованный образец кремния с трещиной посередине. Исследователь заметил, что этот образец выдаёт электрический ток под воздействием солнечного света. Как выяснилось впоследствии, трещина образовалась на границе областей с разной концентрацией примесей (тогда их наличие в кристаллах ещё невозможно было определить). На одной её стороне накапливался избыточный положительный, а на другой - избыточный отрицательный заряд.

В 1946 году инженер получил патент на конструкцию солнечного элемента, которая по сути лежит в основе современных фотоэлектрических панелей. Его эффективность тогда составляла около 1%.

О перспективах фотоэлектрической генерации мир узнал во многом благодаря Лабораториям Белла. Именно там в 1954 году трое учёных - Дерил Чапин, Кельвин Фуллер и Джеральд Пирсон - создали вполне практичные фотоэлементы из кремния с полупроводниковым переходом, которые показывали КПД около 6%. Демонстрационный образец приводил в движение игрушечное колесо обозрения и снабжал энергией радиопередатчик.

КОСМИЧЕСКИЙ ВЕК

Солнечная энергетика не достигла бы сегодняшних высот, если бы не тяга человека в космос. Заряда электрохимических батарей спутникам хватало от силы на пару-тройку недель работы. Возможность получать энергию солнца на орбите стала для конструкторов космических аппаратов палочкой-выручалочкой.

В СССР в 1958 году состоялся запуск третьего искусственного спутника Земли, на борту которого были установлены первые кремниевые солнечные фотоэлементы. Когда аппарат заходил в земную тень, его аппаратура автоматически переключалась на питание от аккумулятора. Мощность солнечной батареи была невелика - она обеспечивала питание радиопередатчика, излучавшего всего четверть ватта. В том же году американцы создали космический аппарат «Авангард-1». Его солнечная батарея состояла из шести элементов, распределённых по сферической поверхности корпуса аппарата, и выдавала мощность около ватта.

Благодаря росту потребности в энергии для питания бортовой аппаратуры вскоре появились раскрывающиеся шарнирные панели, которые ориентировались по солнцу. Важно то, что правительства космических держав не жалели средств на исследования и разработки. Солнечные элементы для космоса стоили буквально на вес золота, зато на них были отработаны технологии создания надёжных структур, способных годами работать в условиях высокого радиационного фона и резких перепадов температур. В частности, выяснилось, что такой полупроводник, как арсенид галлия, более устойчив к долговременному воздействию радиации, чем кремний. Арсенид-галлиевые панели медленнее деградируют и дольше служат в космосе.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЕК

Мировой нефтяной кризис 1970-х резко подстегнул развитие альтернативной энергетики всех видов, в том числе солнечной. В разных странах учёные и инженеры искали пути удешевления производства фотоэлектрических солнечных панелей. В результате уже в 1979 году на рынке появились первые серийные солнечные модули.

В 1980-е и 1990-е на волне развития микроэлектроники были отработаны технологии производства бездефектного монокристаллического кремния в крупных слитках и методы легирования полупроводников для придания им различных свойств. Развитие технологий микроэлектроники, силовой полупроводниковой электроники и солнечной энергетики шло параллельно, и они помогали друг другу в снижении цен благодаря эффекту масштаба.

С начала нового тысячелетия развернулась настоящая гонка за повышение КПД солнечной фотоэлектрической генерации. Были придуманы изощрённые оптические концентраторы, системы теплоотвода и многопереходные структуры. Сегодня наибольшую эффективность показывают многопереходные фотоэлектрические элементы, составленные из нескольких слоёв разных полупроводников, таких как арсенид галлия, арсенид галлия-индия, германий. В них каждый полупроводниковый переход настроен на свой диапазон световых волн, благодаря чему КПД доходит до 40%.

Источник: https://www.c-o-k.ru/market_news/priklyucheniya-fotovoltaiki