«Важнейшее изобретение человечества»: как устроены солнечные батареи
Logo
Cover

Солнечные батареи не только обеспечивают доступ к практически неиссякаемому источнику энергии, но и снижают выбросы СО2 в атмосферу, избавляя от необходимости сжигать ископаемое топливо. Popular Mechanics рассказывает, как появились солнечные батареи, как они работаю и какое будущее их ждет.

Краткая история

Первый шаг в долгой истории солнечной энергетики был сделан в 1839 году, когда французский физик Александр Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект. Более ста лет спустя химик Кельвин Фуллер, физик Джеральд Пирсон и инженер Дэрил Чапин, работавшие в компании Bell Laboratories, построили первый кремниевый фотоэлемент.

Никто из изобретателей не думал об отказе от нефти или защите окружающей среды: Чапин пытался создать источники питания для телефонов, установленных в отдаленной местности, а Пирсон и Фуллер исследовали свойства полупроводников.

Как работают солнечные батареи?

Чтобы понять принцип работы фотоэлементов, необходимо обратиться к строению атома кремния. На его внешней электронной оболочке есть вакантные места для электронов, которые атом пытается заполнить, образуя с другими атомами кристаллическую решетку. Чистый кристаллический кремний не может проводить ток, поэтому в солнечных панелях его смешивают с фосфором, на внешней электронной оболочке которого есть избыточный электрон. Полученный материал известен как кремний n-типа.

Кремний n-типа располагается на внешней поверхности солнечной панели, в внутри его сменяет кремний p-типа. В его состав добавлены такие элементы, как галлий или бор, у которых на внешней электронной оболочке не хватает электрона. Когда фотоны солнечного света возбуждают избыточные электроны в n-кремнии, те стремятся заполнить вакантные места в p-кремнии. Движение заряженных частиц генерирует электричество.

Солнечные батареи сегодня

На протяжении большей части XX века фотоэлементы планировалось использовать для энергообеспечения космических аппаратов, поэтому их старались сделать как можно более легкими. В наши дни солнечные батареи массово используются на Земле, поэтому они должны быть прочными и долговечными. Для этого слой кремния накрывают прозрачным стеклом, пропускающим ультрафиолет.

Другой важнейшей характеристикой солнечных батарей стала их эффективность — то есть количество солнечного света, упавшего на квадратный метр фотопанели и преобразованного в электричество.

Около десяти лет назад КПД фотоэлементов колебался около 13%, однако к 2019 году он возрос до примерно 20%.

Как увеличить предел эффективности кремниевых панелей?

Физическая природа кремния ограничивает теоретически возможную эффективность солнечных панелей значением в 29%. Но есть способы преодолеть это ограничение. Например, недавно исследователи из MIT доказали, что максимальный КПД кремниевых фотоэлементов можно повысить до 35%, дополнив конструкцию тонкими слоями тетрамицена и оксинитрида гафния. Они позволяют одному фотону выбивать сразу два электрона.

Другая возможность — использование новых материалов, например, перовскитов. Всего за несколько лет эффективность перовскитных солнечных элементов выросла с 10% до 20%. К сожалению, вне лаборатории результаты пока не такие впечатляющие, поскольку перовскит быстро теряет свои свойства под воздействием воды и других внешних факторов.

Как интегрировать энергию Солнца в энергосистему?

Главный недостаток Солнца в качестве источника энергии — его непостоянство. Ночью и в пасмурную погоду фотоэлементы становятся бесполезными. Естественный выход — объединение солнечных панелей с батареями для хранения энергии. Кроме того, использование солнечной энергии можно оптимизировать с помощью систем умного дома. Они могут, например, воспользоваться жарким днем, чтобы включить кондиционеры и охладить дом к приходу хозяина. 

Солнечная энергия быстро вытесняет традиционные источники из энергосистем целых стран. Например, в Германии в минувшем июне Солнце стало главным источником электричества.