![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3c9/de0/de3/3c9de0de39c2799d6d6cc29d45698132.png)
Солнечные батареи – это альтернативный источник получения электроэнергии, который с каждым годом завоевывает все большую популярность. Большинству простых потребителей они кажутся чем-то инновационным. Но сама технология довольно старая: первая солнечная батарея, которая давала ток, был создана американским изобретателем Чарльзом Фриттсом аж в 1883(!) году. Вот так, полтора века назад.
С чего все начиналось
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6fd/8de/cd7/6fd8decd7e975d4199442baec8e4b733.jpeg)
Выше фотография 1884 года солнечной батареи Чарльза Фриттса. По всей видимости, на крыше стоит внешне вполне современная солнечная батарея размером около 10 кв. м, она состоит из четырех одинаковых блоков, в каждом из которых было по семь солнечных панелей.
К сожалению, про судьбу самого изобретателя Чарлза Фриттса и его солнечной батареи мало что известно. Хотя о его генераторе электроэнергии из солнечного света писали многие местные нью-йоркские газеты. В своих публикациях журналисты правильно и доходчиво объяснили публике принцип его работы фразой: «Видели лампочку Эдисона? Она пожирает электричество. А здесь все наоборот!»
Стоит отметить, что возможность получать электричество из света (фотовольтаический эффект) продемонстрировал еще в 1839 году Александр Беккерель, которому было всего восемнадцать лет. В отцовской лаборатории представитель семьи известных физиков Беккерелей, обнаружил, что под действием яркого света в цепи, состоявшей из металлических (золотых, платиновых, медных в разных вариантах опыта) пластин в электролите, под действием прямого солнечного света стрелка гальванометра фиксировала появление ЭДС. Отец Александра выступил с докладом о результатах опытов сына на заседании Парижской академии наук, позднее их опубликовали в «Записках Академии». С тех пор ученые не сомневались, что солнечный свет сможет создавать электричество.
Но в то же время, у ученых еще долго не было и объяснения так называемого «эффекта Беккереля». Даже после исследования учеными электрических свойств химических элементов полупроводников, ситуация не изменилась. Зато она коренным образом преобразовалась в практической электрофизике. Полупроводниками эти элементы собственно и назвали только потому, что они вели себя в электрической цепи не так, как металлы-проводники и не как диэлектрики.
Прежде всего ток при определенных обстоятельства и в ограниченных количествах они проводили, а сопротивление в них с температурой не росло, а падало, но что важно они демонстрировали фотовольтаический эффект, причем не такой вялый, как металлы-проводники в банке с электролитом у Беккереля. Им вообще не нужна была для этого жидкая среда электролита, они сами по себе показывали возникновение в себе ЭДС на солнце. Особенно явно демонстрировал это селен, причем в паре с металлом-проводником фотовольтаический эффект был более выраженным.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/316/542/268/316542268c01cdcf813a2bb84df112e0.png)
Объяснить почему это происходит, смогли только спустя полвека после опытов юного Беккереля. Чарльз Фриттс понял, что надо раскатать потоньше селен, покрыть его пленкой металла-проводника, желательно не окисляющегося на свежем воздухе, выставить на солнце и тогда получим энергию.Сам же изобретатель утверждал, что его селеновые солнечные панели вполне пригодны в создании электроэнергии не только для бытовых, но и даже для промышленных нужд.
Если ориентироваться по современным оценкам, то КПД его солнечных панелей был 1-2% (у современных массовых панелей средний КПД – 13%). Однако большой недостаток состоял в том, что панели изобретателя были очень дорогими в производстве. Но не только дороговизна стала причиной невостребованности этого альтернативного источника энергии, а в целом не было такого спроса и можно сказать, Фриттс со своими солнечными панелями оказался не в том месте и не в то время.
Пробовал ли Фриттс запатентовать свое изобретение? Ответа на этот вопрос нет, но зато достоверно известно, что образцы своих солнечных панелей он отправил «европейскому Эдисону» Вернеру фон Сименсу и попросил передать их на рассмотрение в Прусскую академию наук в Берлине. Надо отметить, что у Фриттса все же есть патенты на различные усовершенствования в области передачи электричества (к примеру, U.S. Patent №383,520).
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/ffa/9a1/adc/ffa9a1adce86088958155689a4bc792a.jpeg)
Вернер фон Сименс публично заявил, что изобретение Фриттса это «научно далеко идущее значение» и призывал к «тщательному исследованию, чтобы определить, от чего зависит электродвижущее световое действие селеновых панелей». Но в то время все внимание ученых и общественности было приковано к первой паровой электростанции, построенной Эдисоном в том же Нью-Йорке в 1882 году. Поэтому неудивительно, что никто всерьез не воспринимал слова Фриттса о том, что его солнечные панели скоро составят конкуренцию электрогенераторам Эдисона.
А инженерная мысль относительно солнечных батарей сделала зигзаг, включив в конструкцию солнечной батареи фототермоэлемент, который работает на принципе Зеербека, то есть ток в нем возникает при повышении температуры. Вслед за Архимедом, который по легенде две тысячи лет назад сжег римский флот солнечным светом с помощью параболических зеркал, свет с помощью линз концентрировали на термопаре металлов, которые и генерировали ток. Зачем конструкторы отказались от прямого пути получения электричества непосредственно из солнечного света, выбрав путь с посредником, генерирующим ток при нагревании, — тут логику изобретателя проследить сложно, в патентной заявке никто свои логические умозаключения не описывает. Но возможно в те годы, когда физический механизм фотовольтаического эффекта, как и прежде был вещью в себе, таким способом инженеры питали надежду поднять КПД солнечной батареи Фриттса.
Первые заявки на патенты
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/615/85e/39e/61585e39e9142b5d032202c5e0155c1c.png)
В двух первых патентных заявках 1888 года на такую солнечную батарею Эдварда Вестона (U.S. Patent 389,124 и U.S. Patent 389,425) обозначено: «Термоэлектрический элемент из разнородных металлов, размещенные бок о бок, везде изолированы друг от друга и соединенные на одном конце, и является электрогенерирующим устройством… Электродвижущая сила будет представлять собой сумму электродвижущих сил токов, создаваемых несколькими элементами, и будет увеличиваться до максимума пропорционально повышению температуры… Поскольку, однако, для практических целей нецелесообразно создавать поверхность термоэлемента очень большой площади, я концентрирую солнечный луч на поверхности термоэлемента с помощью любого известного устройства для этой цели, такого, например, как зеркала или линзы, так что относительно более высокая температура и, следовательно, большая энергия на единицу площади поверхности., может быть достигнута».
![Патент №389,124 Патент №389,124](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0b8/2ad/553/0b82ad553e97c7e4156589f72a16a319.jpeg)
![Патент №389,125 Патент №389,125](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d14/c86/894/d14c868942fd93f7999ce63e698f8466.jpeg)
Их изобретатель Эдвард Вестон – один из крупнейших специалистов своего времени по электротехническим сплавам, также он был в то время гендиректором Edison-Swan United Electric Lighting Co, а затем стал президентом Американского института инженеров по электротехнике (ныне известный IEEE). Вестон запатентовал за свою жизнь 334 изобретения. Подобные вестоновскому патенты на солнечные батареи с термоэлементами получили до Первой мировой войны еще не менее дюжины изобретателей, а после было затишье, стало не до солнечных батарей. Но даже запатентованные модели в большинстве своем остались в виде чертежей и описаний.
К солнечной батарее в буквально смысле, то есть подобной основателю Фриттсу, ученые вернулись только в конце 1930-х годов, но она уже была не селеновая, а кремниевая. Рассел Ол, работавший в подразделении Bell Labs, которое занималось полупроводниковыми транзисторами, в 1939 году открыл p-n-переход, и это открытие дало полное понимание физического механизма фотовольтаического эффекта (как частного случая) и фотоэлектрического эффекта в целом. Ученые и инженеры наконец могли с открытыми глазами работать над совершенствованием солнечных батарей на полупроводниках.
Дарим скидку 4000 рублей при первом обращении на любую услугу onlinepatent.ru Промокод: LOVEHABR
Javian
Ожидать какого-то чуда от фотоэлементов нельзя. Теория давно изучена и конструкторы панелей выжимают какие-то мелочи, убирая потери.
ЭДС фотоэлемента E:
где h - постоянная Планка (6.62607015 × 10^-34 м^2 кг / с), V — частота излучения, e - заряд электрона (1.60217663 × 10^-19 Кулона )
BlackMokona
Но цена быстро падает, а значит хорошо так оптимизируют всё.
https://alteco.in.ua/images/technology/solar_energy/kazaxstan/dinamika-cen-na-solnechnye-paneli.png
Javian
Цена не включает стоимость утилизации. Их просто везут на свалку. Попадание фрагментов панелей в почву внесет туда токсичные металлы, поэтому с таким мусором надо уже начинать обращаться как с опасными отходами.
К слову на твиттере вчера:
Areso
А что токсичного в кремниевых солнечных панелях?
Ну и по поводу длительности жизни тоже не согласен - тысячи панелей возрастом больше 20 лет до сих пор генерируют электричество.
Javian
Значительное количество серебра, олова, меди и свинца. У всего в конце концов заканчивается срок эксплуатации.
Today, most dead solar panels wind up in shredders or landfills
vassabi
то есть - не сами батареи, а неумение перерабатывать промышленные отходы ?
Javian
Невыгодность переработки без субсидий, не выгодность промышленной солнечной генерации без субсидий.
Если в СССР стеклянные бутылки шли в повторное использование и в переработку, то сейчас в основном это мусор. Вопрос только кто за это будет платить.
Areso
Можно законом унифицировать форму бутылок, и тогда "зеленые" будут счастливы, но начнётся байда с "рыночниками" - мол, душит свободу выбора и уменьшает доступную номенклатуру.
В мире ничего не бывает бесплатно. Всё имеет свои сопутствующие недостатки.
k61n
От фотоэлементов никто и не ожидает чуда. Чего стоит от них ожидать так это экономической выгоды. Если выгода есть, пользуйтесь на здоровье, если нет, попробуйте что-то другое.
Не смог пройти мимо вашей формулы. Вызывает раздражение. ЭДС в солнечных элементах возникает через поглощение света на электронах в кристалле полупроводника. В этот момент электроны возбуждаются и занимают больше уровней в зоне проводимости. В валентной зоне в то же самое время остаются вакантные места (дырки). В чистом (собственном, в определениях ФТТ и ФПП) полупроводнике количества электронов и дырок одинаковые. Чтобы солнечные элементы работали необходимо легировать полупроводник примесью, чтобы создать избыток дырок или электронов. Затем нужен п-н переход, который разделит носители заряда. И вот именно свойства п-н перехода уже определяет величину ЭДС солнечного элемента. Короче, даже если бы вы написали что-то типа Eg/e, я бы всё равно вставил свои 5 копеек, потому что во-первых это сильно грубое допущение. А во-вторых, ну вот допустим напряжение холостого хода кремниевого солнечного элемента 0.73 В. Ну и, собственно, что?
Javian
Собственно в том, что с единицы площади элемента много энергии не выдавить - есть физический предел, определенный физическими постоянными, как не совершенствуй конструкцию, в отличии от электрических машин-генераторов.
vassabi
у генераторов тоже есть свои ограничения, просто их легче решать до определенного предела
k61n
Во-первых, это не так. Предел эффективности солнечных элементов можно выразить физическими постоянными, а вот предел получаемой энергии - нет. Предел энергии будет зависеть от мощности падающего излучения. Бывают конструкции солнечных элементов, которые оптимизированы для излучений до 100 Солнц.
А во-вторых, много энергии это сколько? А много энергии получается с единицы массы горючего топлива? И не ограничено ли это случайно физическими константами? А что с чем сравнивать?
Ну и в-третьих, солнечные элементы бывают маленькие и большие. Вот маленькие дизельные генераторы бывают? Ну там на мощности типа 50 Вт? Вот захотите вы стримить видосы с пчелиного улья, что, поставите дизельный генератор для этого?