История солнечных батарей: от открытия к применению
Середина XX столетия — это тот период, когда было положено начало развитию гелиоэнергетики. Но на вопрос «кто является автором изобретения солнечных панелей?» невозможно ответить однозначно. По той простой причине, что над разработкой этого проекта трудился не один человек, а ряд именитых учёных. И хотя история солнечных батарей охватывает, множество промежуточных открытий и связанных с ними имён, мы постараемся кратко раскрыть все её этапы.
Как использовали солнечный свет в древности
Наши далёкие предки не понаслышке знакомы с тем, что сегодня мы называем пассивной энергетикой. Например, в Древнем Китае проектировали дома таким образом, чтобы в зимний период улавливалось максимальное количество солнечных лучей и помещения прогревались как можно лучше. Позже такой принцип начал распространяться на целые города: улицы строились с востока на запад для эффективного улавливания солнечного света зимой.
Есть основания предполагать, что ещё в VII веке до н.э. люди использовали увеличительное стекло для того, чтобы разжигать огонь.
В III веке до н.э. греки и римляне зажигали факелы во время религиозных церемоний, концентрируя солнечный свет с помощью зеркал. Тут же стоит упомянуть и достижения этих народов в области солнечной архитектуры: проекты домов разрабатывались так, чтобы максимально использовать энергию солнца. В частности уделялось внимание обогреву помещений с ванными, например, с помощью эффекта лупы нагревалась вода.
Некоторые источники описывают так называемые «Зеркала Архимеда». Во время осады Сиракуз великий учёный использовал систему зеркал, чтобы собрать концентрированный пучок солнечного света, который сжёг вражеские корабли. Экспериментаторы ставят под сомнение этот факт, и возможно экипаж кораблей просто был ослеплён.
Открытие фотогальванического эффекта
Этот базовый принцип в 1839 году был обнаружен французским физиком Александром Беккерелем. Он проводил опыты с электролитами и зафиксировал следующее:
Хотя Беккерель не является непосредственным изобретателем солнечных батарей, именно с открытия фотоэффекта началась история солнечных батарей.
Фотопроводимость селена
После открытия Беккереля, учёным потребовалось более сорока лет, чтобы найти твёрдый заменитель жидкому электролиту.
В 1873 году английский инженер Уильям Смит выявил способность селена при поглощении солнечного света изменять сопротивление, что улучшало его проводимость.
В 1876 году Уильям Адамс и Рихард Дей поняли, что селен способен сам выделять вырабатывать электричество, если окажется под воздействием мощного источника света. Хоть КПД было незначительным, зато стало понятно, что твёрдые материалы также пригодны для выработки электричества.
В 1883 году американскому изобретателю Чарльзу Фритцу удалось собрать первый фотоэлектрический модуль с эффективностью 1,5%. В качестве фотоэлемента для своей крохотной электростанции он использовал селеновые пластины, покрытые золотом. Однако на тот момент подобные исследования и изобретения не вызывали особого интереса и серьёзного отношения.
Именно Фритцу некоторые историки приписывают изобретение солнечных элементов.
Теория фотоэффекта Эйнштейна
Свой неоценимый вклад в эту область физики внёс и величайший из умов науки Альберт Эйнштейн. Он полностью смог объяснить саму суть процесса перехода энергии фотонов к электронам. В 1921 году за этот труд Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия. После этого физик Генрих Герц обнаружил, что при использовании УФ излучения достигается более высокий КПД, чем при использовании видимого спектра солнечного света.
Фотопроводимость кремния
В течение последующих нескольких десятков лет учёные безуспешно пытались добиться более эффективной работы солнечных установок. Препятствовало продвижению вперёд два фактора: необходимость использовать золото и природные физические ограничения селеновых пластин.
В 1940 году специалисты американской лаборатории Белла в ходе опытов обнаружили, что если направить свет на кремниевые образцы, находящиеся в электрической цепи, то измерительные приборы фиксируют изменения тока и напряжения. В дальнейшем этот эффект целенаправленно изучался и в 1950 году Уильям Шокли разработал теоретическую модель p-n перехода, за что был удостоен Нобелевской премии. Это модель и стала базой для дальнейших разработок.
Наконец в 1953 году три сотрудника американской лаборатории Белла сделали заявление об удачном применении в качестве фотоэлементов пластин из кремния. Имена этих учёных:
Вначале показатель эффективности экспериментальной гелиоустановки составлял 4%, но спустя год поднялся до 6%.
Солнечные элементы в том виде, в котором мы их знаем сегодня, сделаны из кремния, а не селена, поэтому именно эту группу учёных можно считать изобретателями солнечных панелей, хотя и с оговорками. К тому же это был первый пример солнечной технологии, которая могла приводить в действие электрическое устройство в течение нескольких часов в день.
Увеличение эффективности
В период с 1957 по 1960 год компания Hoffman Electronics совершила ряд прорывов в области фотоэлектрической эффективности, улучшив уровень КПД с 8% до 14%.
Следующее крупное достижение было в 1985 году, когда Университет Южного Уэльса достиг 20% эффективности кремниевых элементов.
В 1999 году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии в сотрудничестве с SpectroLab Inc. создала солнечный элемент с КПД 33,3%.
Университет Южного Уэльса снова побил этот рекорд в 2016 году, когда исследователи достигли эффективности 34,5%.
Применение технологии в космических разработках
Изобретение кремниевых элементов выпало на период начала космической гонки, и разработчики космических аппаратов в скором времени начали осваивать эту технологию
В 1958 году на американский спутник «Авангард I» установили крошечную одноваттную панель для питания радиоприемников. Их примеру последовали и советские специалисты: космический аппарат «Спутник 3» также был оснащён системой солнечных панелей.
В космосе фотоячейки показывали хорошие результаты, и уже в 1966 году НАСА запустило первую в мире орбитальную астрономическую обсерваторию, работающую от однокиловаттного массива.
Массовое использование
В дальнейшем гелиоэнергетика пережила ещё множество преобразований. Показатель эффективности постоянно рос, а стоимость фотоэлементов снижалась, что делало технологию доступной для большего числа заинтересованных. И на данный момент практически во всех отраслях человеческой деятельности солнечные панели находят своё применение.
Всё больше стран берут курс на использование альтернативной энергетики взамен традиционной, а использование домашних солнечных электростанций поддерживается законодательно. Так, в России действует «Зелёный тариф», позволяющий продавать избыток электроэнергии от солнечных панелей.
Итоговая черта
Люди издревле использовали солнечную энергию для улучшения комфорта. История солнечных батарей берёт начало с Александра Беккереля, который смог выявить фотогальванический эффект. Первый фотоэлемент из селена разработал Чарльз Фритц в 1883 году, а первые кремниевые ячейки создали учёные лаборатории Белла.
Кто и когда создал первые солнечные батареи?
Точкой отсчета развития гелио энергетики принято считать середину 20 века. Однако вопрос «кто и когда изобрел солнечные батареи» не имеет однозначного ответа. К созданию элементов, способных преобразовывать излучение в электрический ток, приложили руку многие великие ученые прошлого. А современному многообразию сотен разновидностей солнечных панелей мы обязаны командам физиков и инженеров всего мира.
Александр Беккерель, изучавший влияние света на электролиты, в 1839 совершенно случайно обнаружил, что под воздействием излучения в растворе возникает электрическое напряжение. Французский физик в третьем поколении не был тем, кто придумал солнечные панели. Но именно этот эффект, впоследствии названный фотовольтаическим, положил начало будущей гелио индустрии.
Только спустя 44 года британский инженер Уиллоби Смит смог пройти путь от жидкого электролита до твердого селена. Кусочек этого материала стал первой фотоэлектрической ячейкой, которая при поглощении излучения становилась электропроводящей. На протяжении следующих трех лет эксперименты над селеном проводили физики Уилл Адамс и Рич Дэй. В 1876 они окончательно поняли, что солнечная энергия может собираться, преобразовываться и сохранятся. Правда, пока это была только теория.
Александр Беккерель, Александр Столетов, Альберт Эйнштейн
По-настоящему первым из тех, кто открыл для мира солнечные батареи, стал нью-йоркский изобретатель Чарльз Фритц. Его «настольная» электростанция работала от крохотной позолоченной селеновой пластики, и обладала КПД 1,5%.
Далее над удивительным свойством фотонов передавать свою энергию электронам работали многие известные физики. Генриху Герцу даже удалось обнаружить, что максимальной генерации можно добиться не от видимого, а от ультрафиолетового излучения. Но только великий Альберт Эйнштейн сумел объяснить саму природу фотоэлектрического эффекта. За что позднее был справедливо удостоен Нобелевской премии.
Более полувека после работ Эйнштейна ученым и изобретателям не удавалось повысить эффективность экспериментальных гелио установок. Причиной тому были полупроводниковые ограничения селена и необходимость использовать в элементах золото. Только в 1953 коллективу лаборатории Белла удалось найти другой, более дешевый, практичный и широко распространенный материал. Этим материалом стал кремний, и первая же система на его основе показала КПД 6%.
Первыми, кто создал солнечные панели современного образца и вывел их на коммерческий рынок, стала компания Western Electric. Несмотря на все еще высокую стоимость оборудования, покупатели находились. Наиболее известная приобретенная солнечная электростанция тех времен – набор гелио панелей, установленных на крыше Белого дома по указанию президента Кеннеди.
Отдельную благодарность следует вынести тем, кто придумал и построил солнечные батареи для космических аппаратов. Никаким другим путем стабильно получать электроэнергию для оборудования за пределами земли на тот момент было невозможно. И сейчас не существует ни одного стационарного спутника, космической станции или корабля, которые не использовали бы фотоэлектрические преобразователи.
Следующее десятилетие стало временем появления крупных гелио станций башенного типа. Термодинамическая электростанция Solar Two в пустыне Мохава (США) начала работу в 1981, постепенно увеличивая количество зеркал до 1999 года.
Годом позже тем же концерном Arco Solar был построен калифорнийский солнечный парк, способный генерировать более 1 МВт энергии в час.
В 1983 компания запустила гигантскую ферму из сотни тысяч солнечных батарей общей мощностью 5,2 МВт.
Американская Национальная лаборатория возобновляемой энергии стала той, кто впервые придумал солнечные батареи на редкоземельных элементах вместо кремния. Сейчас они известны как CIGS, или комбинация фосфидов и арсенидов германия, индия и галлия. КПД первых же образцов составил 30%. Современные экспериментальные ячейки приближаются к показателю 45%.
Имя этого человека – Томас Фалуджи. Патент на гелио батареи, интегрированные в специальные выдвигающиеся навесы, был подан в 1995. Сегодня интеграцией фотовольтаики в любые конструкции и предметы никого не удивишь. Она присутствует в черепице для домов Илона Маска, автомобильных трейлерах, китайских копеечных фонарях и даже одежде.
Первые промышленные образцы были представлены в 2015 году. И сегодня все, кто создает солнечные батареи ближайшего будущего, ориентируются на тонкопленочные технологии. Панели третьего поколения не толще бумаги, печатаются на 3D-принтерах и уже сейчас достигают эффективности более 20%. Они дешевы, экологически безопасны, универсальны, могут быстро изготавливаться целыми рулонами, и со временем могут полностью заменить тяжелые и дорогостоящие кремниевые модули.
История фотовольтаики и создания солнечных батарей
Фотовольтаика – это прямое преобразование световой энергии солнца в энергию электрическую. История солнечных батарей берет начало в первой половине XIX века, когда в 1839 году было открыто лежащее в ее основе явление фотоэлектрического эффекта. Но тем не менее с тех пор прошло более ста лет, прежде чем произошло первое преобразование энергии света в электричество.
Открытие
Впервые с фотоэлектрическим эффектом столкнулся в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель. Он проводил эксперименты с электролитическими элементами, используя платину в качестве электродов – анода и катода.
Александр Эдмон Беккерель (1820–1891)
Измеряя при этом ток, протекающий между электродами, ученый заметил, что при свете его величина незначительно возрастает по сравнению с величиной тока в темноте. Так было открыто явление фотоэлектрического эффекта. Но, хотя открытие и состоялось, практическое применение ему было найдено только через несколько поколений.
Фундаментальные исследования
В 1873 году английский инженер-электрик Смит Уиллоуби, проводя опыты по определению проводимости селена, обнаружил, что при освещении этот проводник изменяет сопротивление. Открытие повлекло за собой целый ряд серьезных исследований по этой тематике.
Смит Уиллоуби (1828-1891)
В 1876 году Уильям Гриллс Адамс вместе со своим учеником Рихардом Эвансом Дэем обнаружили, что селен способен сам вырабатывать электричество, если его осветить достаточно мощным источником света. И хотя селен не пригоден к тому, чтобы вырабатывать электричество достаточной мощности, это исследование показало, что можно получать электроэнергию непосредственно из твердых материалов, без использования тепловой или механической энергии.
В 1883 году житель Нью-Йорка Чарльз Фриц создал первый в мире модуль из селеновых элементов. Этот модуль стал предшественником современных модулей фотовольтаики. Однако все фундаментальные работы по исследованию фотоэлектрического эффекта вызывали у многих ученых того времени большое сомнение в серьезности и перспективности этого открытия.
В 1884 году Юлий Элстер совместно с Гансом Фридрихом Гайтелем представили большую монографию, посвященную исследованию фотоэффекта. В 1887 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц открыл новые свойства элементов, которые он назвал «внешний фотоэффект».
Генрих Рудольф Герц (1857–1894)
Тщательное исследование этого явления он поручил своему ученику Вильгельму Людвигу Францу Гальваксу. В том же году независимо от Гальвакса итальянский физик Риги Аугусто проводит аналогичные исследования, результаты которых практически совпали с результатами Гальвакса.
С 1888 по 1891 год исследованием внешнего фотоэффекта вплотную занимался выдающийся русский ученый Александр Григорьевич Столетов. На основании своих исследований он создал первый в мире фотоэлемент, в основу действия которого был положен внешний фотоэффект. Изучая зависимость силы тока от интенсивности излучения, попадающего на фотокатод, Столетов вывел первый закон фотоэффекта, который получил имя ученого – закон Столетова.
Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896)
Совместно с Гальваксом в 1889 году было открыто явление старения фотоэлементов – так называемое фотоэлектрическое утомление. Являясь основоположником количественных методов исследования, Столетов дал последующим поколениям ученых мощный инструмент для изучения и углубленного исследования фотоэффекта.
Этим инструментом успешно пользовались в дальнейших исследованиях лауреаты Нобелевской премии – немецкий физик Филипп Эдуард Антон Ленард и английский физик Джозеф Джон Томсон. В 1907 году Альберт Эйнштейн разработал теоретическое обоснование фотоэлектрического эффекта. За эту работу Эйнштейну в 1921 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Альберт Эйнштейн (1879 – 1955)
В 1912 – 1916 годах американский физик Роберт Эндрюс Милликен сумел экспериментально подтвердить теорию Эйнштейна. За это и ряд других работ, связанных с измерением заряда электрона, в 1923 году был удостоен Нобелевской премии по физике.
Следующий важный и логический шаг в развитие полупроводниковой техники и фотовольтаики был сделан в 1916 году польским ученым Яном Чохральским, который открыл процессы кристаллообразования, названные впоследствии его именем.
Ян Чохральский (1885 – 1953)
Дальнейшее развитие его работы получили в сороковые годы ХХ века, а в пятидесятые годы резко возросли потребности в полупроводниковых элементах, которые стали широко применяться в различных сферах техники и радиоэлектроники.
Фотоэлементы
В 1934 году проводились исследования с тонкой пленкой оксида меди, которая наносилась на медный анод в качестве полупроводника. Катод в этой электрической цепи также был покрыт полупрозрачной медной пленкой. Работая с такой схемой преобразования энергии света в энергию электрическую, ученые рассчитали, что при горизонтальном расположении пластин в перспективе можно получить мощность порядка 26 ватт на один квадратный метр.
В 1940 году Рассел Ол, сотрудник лаборатории Белла, проводил опыты с образцами на кремниевой основе и имеющих различные химические составы. Один образец при охлаждении дал трещину. Его распилили и проводили опыты по уже нерегламентированной программе. И вот здесь Рассел Ол неожиданно обнаружил, что если образец осветить, то электроизмерительные приборы, подключенные в цепь, показывают изменения тока и напряжения. Дальнейшие работы с кремнием уже носили целенаправленный характер. При исследовании кремниевых образцов с различными присадками были выведены общие закономерности, которые в конечном итоге привели к открытию p-n перехода в полупроводниках.
В 1948 году была разработана первая концепция полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей на диодах Шоттки. В 1950 году Уильям Брэдфорд Шокли разработал теоретическую модель p-n перехода, создав тем самым базу для разработки современных солнечных батарей. За эту работу в 1956 году Уильяму Шокли была присуждена Нобелевская премия по физике.
Уильям Шокли (1910 – 1989)
В те годы лаборатория Белла в Нью Джерси была одним из самых лучших научно-исследовательских центров в мире. В 1953 году ученые этой лаборатории Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон изготовили первые в мире кристаллические кремниевые солнечные элементы. Каждый из этих элементов имел площадь активной поверхности около двух квадратных сантиметров.
Эффективность самых первых фотоэлементов была всего 4%. Вдохновленные полученными результатами ученые продолжали работу над своим творением, и уже вскоре были получены элементы с эффективностью 6%.
Кэлвин Фуллер (1902 – 1994), Джеральд Пирсон (1905 – 1987), Дэрил Чапин (1906 – 1995)
25 апреля 1954 года газета «Нью-Йорк Таймс» на первой полосе поместила материал о сенсационном достижении ученых. Через некоторое время была достигнута эффективность 11%, и в 1955 году эти элементы были применены в качестве источника питания для телефонных усилителей. Совершенствовалась технология изготовления фотоэлементов, и вот уже в 1958 году в США, а через два месяца в СССР на орбиту вокруг Земли выводятся спутники, аппаратура которых частично питается от солнечных батарей.
Солнечная энергетика с тех пор сделала не один, а много качественных скачков. Сейчас очень трудно найти такую отрасль, где не используются солнечные батареи. От космических станций и мощнейших, в сотни мегаватт электростанций до наручных часов и детских игрушек. Освещение улиц, электроснабжение домов, сельскохозяйственных ферм, электромобили, велосипеды, яхты, самолеты на солнечных батареях – это уже не фантастика, а наша действительность.
Как работают солнечные батареи
Cолнце есть и будет всегда! Возможно, это слишком смелое заявление, но это действительно так. По крайней мере, с точки зрения человечества. Пусть оно и взорвется через сколько-то там миллионов лет, но к тому времени мы уже покинем эту планету или сами, или в виде кучки пепла, которую развеет в космосе очередной огромный камень, налетевший на наш голубой шарик. Именно из-за такой стабильности Солнца его можно и нужно использовать для получения энергии. Люди уже давно научились это делать и сейчас продолжают совершенствовать технологии солнечной энергетики. Но как же работают солнечные панели, батареи и вообще, как можно превратить свет в электричество внутри розетки?
Солнечные панели позволяют сделать электричество чуть ли не бесплатным.
Когда появились солнечные батареи
Солнечные батареи были изобретены достаточно давно. Впервые эффект преобразования света в электричество был обнаружен Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Для создания первых прототипов потребовалось почти сто лет.
В 1948 году, а именно 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Чемичан смог сделать то, что мы теперь используем и развиваем. Спустя 10 лет в 1958 году технология впервые была опробована в космосе в качестве элемента питания американского спутника, названного ”Авангард-1”. Спутник был запущен 17 марта, а уже 15 мая того же года это достижение повторили в СССР (аппарат ”Спутник-3”). То есть технологи начала массово применяться в разных странах почти одновременно.
Использование солнечных панелей в космосе — обычная практика.
Подобные конструкции применяются в космосе до сих пор, как важный источник энергии. А еще их используют на Земле для обеспечения энергией домов и даже целых городов. А еще их начали встраивать в гражданские электромобили для обеспечения большей автономности.
Вообще, важность подобных элементов невозможно переоценить. Только так можно добиться получения энергии в любой точке планеты. Гидроэнергетика, атомные станции, ветряки и тому подобные системы могут быть размещены только в определенных местах, стоят очень дорого или требуют соответствующей инфраструктуры. И только солнечные панели позволяют построить дом в пустыне и электрифицировать его. За относительно небольшие деньги. На «ветряк» их точно не хватит.
Как работают солнечные панели
Стоит немного уточнить, что понятие ”солнечная батарея” не очень правильное. Точнее правильное, но не имеющее отношение к тем системам питания, о которых мы говорим. Батарея там обычная, но получает энергию от солнечных панелей, которые преобразуют в электричество свет солнца.
В основе солнечной панели лежат фотоэлектрические ячейки, которые помещены внутрь общей рамы. Для создания таких ячеек чаще всего используется кремний, но возможно использование и других полупроводников.
Энергия вырабатывается в тот момент, когда на полупроводник попадают солнечные лучи и нагревают его. В результате этого внутри полупроводника высвобождаются электроны. Под действием электрического поля электроны начинают двигаться более упорядоченно, что и приводит к появлению электрического тока.
Примерно так выглядит солнечная панель.
Для того, чтобы получить электричество, надо подключить контакты к обеим сторонам фотоэлемента. В результате этого он начнет питать электричеством подключенный потребитель или просто заряжать батарею, которая потом будет отдавать электричество в сеть, когда это понадобится.
Основной упор на кремний делается из-за его кристаллических особенностей. Впрочем, в чистом виде кремний сам по себе является плохим проводником и для изменения свойств к нему делается крайне малое количество примесей, которые улучшают его проводимость. В основном в число примесей входит фосфор.
Как полупроводники вырабатывают электричество?
Полупроводник является материалом, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо их не хватает (p-тип). То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.
В качестве катода в такой схеме используется n-слой. Анодом является p-слой. То есть электроны из первого слоя могут переходить во второй. Переход происходит за счет выбивания электронов фотонами света. Один фотон выбивает один электрон. После этого они, проходя через аккумулятор, попадают обратно в n-слой и все идет по кругу.
Когда энергия выработана, все начинается по кругу, а свет всегда горит.
В современных солнечных панелях в качестве полупроводника используется кремний, а начиналось все с селена. Селен показал крайне низкий КПД — не более одного процента — и ему сразу стали искать замену. Сейчас кремний в целом удовлетворяет требования промышленности, но есть у него и один существенный минус.
Обработка и очистка кремния для приведения его к тому виду, в котором его можно будет использовать, является достаточно затратной процедурой. Чтобы снизить стоимость производства, проводят эксперименты с его альтернативами — медью, индием, галием и кадмием.
Эффективность солнечных панелей
Есть у кремния еще один минус, который не так существенен, как стоимость, но с которым тоже надо бороться. Дело в том, что кремний очень сильно отражает свет и из-за этого элемент вырабатывает меньше электричества.
Даже повесив столько панелей, все равно надо обеспечивать их нормальную работу. В том числе бороться с отражением света.
Для того, чтобы уменьшить такие потери, фотоэлементы покрывают специальным антибликовым покрытием. Кроме такого слоя, надо использовать и защитный слой, который позволит элементу быть более долговечным и противостоять не только дождю и пыли, но даже падающим веткам небольшого размера. При установке на крыше дома это очень актуально.
Несмотря на общую удовлетворенность технологией и постоянную борьбу за улучшение показателей, современным солнечным панелям все равно есть куда стремиться. На данный момент массово производятся панели, которые перерабатывают до 20 процентов попадающего на них света. Но есть и более современные панели, которые пока ”доводятся до ума” — они могут перерабатывать до 40 процентов света.
А вообще, солнечная энергетика это круто! И помните, даже при таком «пАлящем» солнце система будет работать.