Сейчас солнечные панели по всему миру вырабатывают по примерным оценкам почти 400 ГВт электроэнергии. Технология, которую придумали еще в 1954 году (а предпосылки появились вообще в XIX веке), за последние 15 лет стала важной частью нашей жизни. Тысячи домовых хозяйств по всему миру устанавливают такие элементы на крыше и экономят на оплате за потребление электричества, а также более эффективно отапливают свои дома. 

Предлагаем узнать, как появилась технология переработки солнечного света и что ждет нас в будущем. 

Как работает солнечная панель

Давайте кратко посмотрим, в чем вообще суть технологии. Расскажем на уровне школьного курса физики для широкого круга читателей. Если вы разбираетесь в технологии, то переходите сразу к следующему разделу. 

Солнечная панель состоит из небольших ячеек фотоэлементов, которые вырабатывают электрическую энергию под воздействием света — тут все очевидно. Одна ячейка на базе кремния выдает определенную выходную мощность при максимальной (пиковой) освещенности — обычно считается в документации при 1000 Вт/м2, что почти недостижимо. Чем освещенность меньше, тем меньше и энергии будет вырабатываться. 

Сами ячейки имеют разные размеры и полезную площадь, и как следствие — выходные ток и мощность. В современных вариантах бывают ячейки размеров от 156х156 мм (тип М0) до 217х217 мм (тип М12+), которые выдают фиксированное напряжение 0,5-0,6 В. 

Ячейки соединяют между собой последовательно-параллельно и добиваются более высоких значений максимальной мощности и напряжения. Например, часто панели состоят из 36, 48, 60, 72, 144 и так далее. Для понимания:

Давайте теперь посмотрим, что происходит внутри с точки зрения физики — а происходит так называемый фотогальванический эффект.  

В основе лежит принцип полупроводниковой проводимости —  P-N переход. Атом кремния (Si) — элемент 14 группы, имеет 14 электронов на трех орбиталях. Первые заполнены двумя и восемью электронами, соответственно, а вот с третьей не так — она наполовину пуста, в ней четыре электрона. 

Однако сам по себе чистый кремний плохо подходит на роль проводника из-за кристаллической структуры. Чтобы получить носитель заряда, в кремний вводят разные примеси. Для N-проводимости добавляют фосфор, у которого пять электронов во внешней оболочке. Четыре связываются с атомом кремния, заполняя внешнюю орбиталь. А вот нескомпенсированный пятый электрон может «оторваться и мигрировать» под действием какой-то силы. 

Дальше мы берем кремний и добавляем к нему бор — это 13-й элемент. А значит, у него на внешней орбитали на один электрон меньше, чем у кремния. Получается P-проводимость. 

Если мы теперь соединяем материалы с P и N проводимостью, в области контакта создается слой из электронов и дырок, мигрировавших навстречу и уравновешивающих друг друга. Создается как бы барьер, который не так просто перейти — для этого нужно преодолеть ширину запрещенной зоны. Как это сделать? Для этого и нужен солнечный свет — если энергии фотонов хватит, то лишние электроны как бы оторвутся от кристаллической решетки и продолжат миграцию через барьер. В замкнутом контуре образуется электрический ток. 

Ширина запрещенной зоны — главная причина ограничений солнечных панелей. У кремния в комбинации с примесями фосфора и бора она составляет 1,1 эВ — это свойство конкретного материала, определяющего его эффективность. Если фотон передает недостаточную энергию (например, из ИК-спектра), то переход не произойдет — ячейка просто нагреется. Если же энергии много, то переход произойдет, но «лишняя» также пойдет в тепло. 

В итоге эффективность такой панели в реальности составит всего около 14-23%. Это с учетом того, что солнечный свет имеет свойство падать под разными углами в течение дня; его интенсивность снижается с облачностью; ночью солнечные панели вообще не работают. 

Но от чего зависит эффективность солнечных элементов? В первую очередь, от используемых методов и материалов, определяющих в том числе ширину запрещенной зоны. Вот самые распространенные варианты, но далеко не все:

• Монокристалл кремния (crystalline-Si, c-Si) — более дорогой метод, когда кремний выращивают по методу Чохральского, вытягиванием. Получается более качественная кристаллическая решетка, и как следствие — большая эффективность до 19-22%. 

• Поликристалл кремния (multicrystalline-Si, mc-Si) — более дешевый метод направленной кристаллизации в тигле, еще называемый методом Стокбаргера-Бриджмена. Получаемые в результате структуры состоят из огромного количества разнонаправленных кристаллитов — из-за этого эффективность снижается до 14-18%. Однако это компенсируется более низкой стоимостью подобных панелей. 

• Тонкопленочные — когда на подложку напыляют разные полупроводниковые материалы вроде арсенида галлия, германия, теллурия и так далее. В том числе используют аморфный кремний (a-Si), обладающий отличным коэффициентом поглощения. В результате получаются ячейки с эффективностью 10-20%, но зато намного более легкие и гибкие. Для многих применений (например, аэрокосмических) это — важное преимущество. 

Важнейшее направление исследований в области материалов для солнечных панелей — это преодоление предела Шокли-Квиссера в 33,5%. Грубо говоря, это теоретическое значение эффективности, которое невозможно получить на элементах с одиночным PN-переходом. По этой причине разрабатываются многослойные переходы, в которых эффективность уже поднялась до 46%. Но это очень дорогая технология, которая вряд ли в ближайшее время станет массовой. 

Особенность солнечных панелей еще в том, что «лишнюю» энергию, вырабатываемую днем, надо где-то хранить. Потому что ночью взяться ей неоткуда. Для этого используют аккумуляторные батареи. Но как известно, в идеале их нужно заряжать строго определенным током — иначе ресурс батарей будет падать. Как же быть, если ток зависит от интенсивности солнечного света?

Для этого используют специальные контроллеры заряда — ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или более продвинутые МРРТ (Maximum Power Point Tracking — отслеживание максимальной границы мощности). Они поддерживают параметры заряда в оптимальном для батареи режиме. 

И наконец, если есть устройства-потребители переменного тока, нужны инверторы, которые преобразуют постоянный ток от солнечных панелей.

Как появились солнечные панели

Теперь давайте посмотрим, откуда появилась технология. В 1839 году фотогальванический (его еще называют фотовольтаическим) эффект открыл 19-летний студент Александр Эдмон Беккерель, экспериментируя в лаборатории своего отца. Он покрыл платиновые электроды хлоридом серебра, поместив их в электролитический раствор и подключил к ним гальванометр. Когда он подверг один из электродов воздействию солнечного света, то обнаружил, что стрелка отклоняется. Удивительное открытие долгие годы носило название «эффекта Беккереля». 

В 1866 году инженер Уиллоуби Смит занимался прокладкой многокилометровых телеграфных кабелей под водой. Он придумал способ, который позволял тестировать качество кабелей при помощи селеновых стержней: материала с высоким удельным сопротивлением. Однако в ходе экспериментов он случайно заметил, что при воздействии света их сопротивление уменьшалось. 

Проведя несколько экспериментов с разными длинами и сечениями селеновых стержней, помещенных в стеклянные трубки, он убедился в корректности эффекта. В 1873 году он изложил свои наблюдения в краткой статье для журнала Nature, а более полную версию представил Обществу телеграфных инженеров. 

С работой Смита ознакомился Чарльз Фриттс и принял решение продолжить работу с селеном. Чтобы эффект проявился еще лучше, в 1883 году он изготовил пластины из селена, чтобы увеличить площадь контакта со светом. И покрыл их тонким слоем проводящего металла, который бы не окислялся на открытом воздухе — золотом. Получилась фоточувствительная поверхность.

Соединив несколько таких элементов и расположив их на крыше, Фриттс убедился, что ток появляется. Хотя система и обладала КПД всего 1% или меньше, изобретение казалось чем-то невероятным. 

Всего несколько лет спустя, в 1888 году, изобретатель Эдвард Уэстон получил два патента на солнечные элементы — Патент США 389 124 и Патент США 389 425. В обоих патентах Уэстон предложил «преобразовать лучистую энергию, получаемую от Солнца, в электрическую энергию или через электрическую энергию в механическую энергию.

Идею Фриттса и Уэстона подхватил изобретатель Джордж Коув. Он построил на крыше своей лаборатории действующий прототип установки, основал компанию Sun Electric Generator Corporation и привлек 5 млн долларов инвестиций. Идея дешевой энергетики, казалось, должна была изменить мир. В 1909 году Коув даже запатентовал несколько интересных идей, в том числе термоэлектрическую батарею.

Однако дальше случилось нечто криминальное: 19 октября 1909 года Коув был похищен. Условием его освобождения был отказ от патента на солнечную энергию и закрытие компании. Кто именно его похитил и для чего, неизвестно. Но изобретатель после освобождения резко свернул бизнес.

К тому моменту наш выдающийся ученый Александр Столетов в 1888 году изучил и описал явление фотоэффекта — по сути, общий случай фотогальванического эффекта. А в 1905 году Альберт Эйнштейн дал теоретическое обоснование фотоэффекта на основе учения Планка о квантовой природе света. 

Дальнейшее развитие технологии продолжилось в 1940 году. Инженер Bell Labs Рассел Шумейкер Ол изучал использование кремниевых выпрямителей для радаров. Если точнее, то он вводил в состав разные вещества и измерял электрические свойства получившихся компонентов. 

23 февраля он испытал небольшую кремниевую пластинку, которая дала странные и неожиданные результаты. Под воздействием яркого света ток, проходивший через пластину, заметно увеличивался. Причем Ол и его коллега Джек Скафф заметили четкую границу, где это наблюдается — на стыке кремния, содержащего разные виды примеси. Тогда теоретического обоснования не нашлось, но в 1941 году изобретатель подал заявку на патент и получил его в 1946 году. 

Кстати, независимо от работы Рассела Ола открытие P-N перехода в оксиде меди (II) совершил ученый Вадим Лашкарёв в 1941 году. Результаты своих открытий он опубликовал в статьях «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди». 

Однако исследования Ола и Лашкарёва не получили должной известности на тот момент. 

В начале 50-х годов Bell Labs продолжала исследовать потенциал кремниевых полупроводников и возможности фотогальванического эффекта. Этим занимались видные ученые: Кэлвин Саутер Фуллер, Дэрил Чапин и Джеральд Пирсон. В какой-то момент они обнаружили, что легирование кремния бором дает отличные показатели: до 6% световой энергии преобразовывалось в электрическую мощность.  

25 апреля 1954 года на большой пресс-конференции Национальной Академии наук США ученые представили свое открытие: показали, что кремниевые фотоэлементы успешно работают при разной интенсивности света. Ученых 

На следующий день после презентации газета The New York Times написала: 

Открытие ученых из Bell Labs знаменует начало новой эры. Теперь человечеству подвластна безграничная энергия Солнца!».

Параллельно в СССР также продолжались исследования фотогальванического эффекта. В Физико-техническом институте Иоффе группы ученых под руководством Ж.И. Алферова и В.М. Тучкевича сумели увеличить КПД кремниевых солнечных элементов до 8%. Параллельно исследовали фотоэлементы на основе арсенида галлия. 

В 1958 году открытие солнечных панелей впервые применили в космосе. Сначала США запустила 17 марта спутник «Авангард», а 15 мая СССР вывел на орбиту «Спутник-3». Мощность генерируемой Солнцем энергии не превышала 1 Вт, поэтому солнечные панели питали только радиопередатчик. Но с развитием технологий солнечные панели на космических объектах стали стандартом. Ведь свет не ослабевает при прохождении через земную атмосферу. 

В 1959 году производство солнечных кремниевых панелей начинает компания Sharp. В 1963 году она устанавливает на японском маяке фотоэлектрическую батарею мощностью 242 Вт, самую большую в мире на тот момент. Спустя год она производит и поставляет НАСА батарею в 470 Вт для спутника Nimbus. В 70-х годах за счет использования новых методов производства кремниевых фотоэлементов удалось снизить стоимость одного ватта энергии на 80%. Большая доступность позволила использовать солнечные панели в самых неожиданных применениях: в наручных часах, калькуляторах, на крышах автомобилей и домов. В 1973 году появился первый автономный дом Solar One. 

Во многом интерес к солнечной энергетике был вызван еще и нефтяным эмбарго, введенным арабскими странами после войны Судного дня. Цены на нефть подскочили на 300%, и правительства стали активно инвестировать средства в альтернативную энергетику. 

В 1977 году США создает Институт исследований солнечной энергии США в Голдене, штат Колорадо. Он действует и сейчас, только с названием NREL (National Renewable Energy Laboratory).

В 80-х и 90-х годах стоимость кремниевых элементов, составляющих более 90% рынка, продолжала снижаться и составляла уже менее 6 долларов за ватт. А эффективность кремниевых модулей с 8-10% возросла до 20-22%. Дополнительно появились более совершенные аккумуляторы с большей плотностью энергии, а также контроллеры заряда и инверторы — солнечная энергия становилась все доступнее. 

Появлялись и новые методы — например, ячейки Гретцеля на основе мезопористых оксидных полупроводников с широкой запрещенной зоной. Эффективность разных технологий с 1976 года можно посмотреть здесь. 

В 1994 году Япония запускает программу «70 000 солнечных крыш», а к 1999 году в Германии появляется программа «100 000 солнечных крыш». Правительства стран Азии, Европы и США начинают предоставлять огромные налоговые льготы. 

Например, у американцев с 2005 года по закону PL 109-58 действует 30% льгота. А Китай с 2011 года инвестировал более $50 млрд в новые мощности по производству солнечных панелей, что более чем в 10 раз больше, чем в Европе. 

Сейчас солнечная энергетика — доступная и хорошо изученная технология, про которую так или иначе слышали все. А многие используют ее и в повседневной жизни. В общей массе солнечные панели имеют КПД от 15 до 22%, а в некоторых случаях и выше — об этом мы рассказывали в начале статьи. 

Что ждет технологию солнечных панелей

На 2022 год солнечные панели по всему миру производили порядка 400 ГВт электроэнергии, и эта цифра постоянно увеличивалась. Только в Китае на конец 2023 года генерировалось 426 ГВт энергии за счет Солнца — колоссальный рост. Во многом это связано не только с большим снижением себестоимости владения солнечными панелями, но и озабоченностью государства экологией. В Китае с этим большие проблемы, в том числе из-за угольных электростанций. 

Однако все-таки доля вырабатываемой солнечными панеля электроэнергии не столь высока — всего около 4,5%. На то есть некоторые причины, связанные с недостатками альтернативной энергетики.

Причина 1: непостоянство

Самый очевидный момент. Облака закрыли небо? Эффективность выработки электроэнергии падает. Наступила ночь? Эффективность нулевая. Поэтому стоимость электроэнергии для потребителя постоянно меняется, а для непрерывного хранения требуются дорогостоящие аккумуляторы. 

С этим же связана и неравномерность распределения нагрузки даже в одном регионе, невозможность накопить еще больший запас и много чего еще. Все это влияет на баланс спроса и предложения, а следовательно, и на стоимость владения солнечными панелями. 

Причина 2: низкая эффективность

Пусть цифра даже в 22% не смущает. Вопрос здесь, скорее, в соотношении площади к вырабатываемой мощности. Это отлично иллюстрирует Factorio: одна солнечная панель вырабатывает до 42 кВт в среднем днем, а одна атомная электростанция постоянно — 40 МВт. То есть в эквиваленте потребуется 952 панели и еще 600 аккумуляторов, которые будут занимать площадь в тысячи раз больше, чем АЭС даже с учетом добычи урана, переработки в ТВЭЛы и транспортировки.  

О чем это говорит? Что для локальных задач вроде обеспечения потребностей одного дома (ссылка на историю с Пикабу), производственного кластера или просто банальной экономии солнечные панели — выход. Но массовой заменой ГЭС, ТЭЦ и прочего они вряд ли станут. 

Причина 3: хрупкость

Хотя солнечные панели имеют базовую защиту, горе-монтажники или хороший град могут повредить фотоэлементы. Из-за этого эффективность выработки упадет, хотя на солнечные панели и дают часто гарантию 25 лет. 

Причина 4: изменение климата

Огромными фермами уже никого не удивить. Например, в ОАЭ строится четвертая очередь Солнечного парка Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума. Он будет занимать 44 квадратных километра, на которых миллионы панелей будут генерировать тысячи мегаватт энергии и обеспечивать потребности 320 000 домов. 

Неплохо? Но и тут есть свои подводные камни. Дело в том, что огромные поля солнечных панелей изменяют такой показатель, как альбедо — отражающую способность поверхности. Альбедо пустынных регионов, как правило, довольно высокое из-за светлых песков и каменистой местности, которые хорошо отражают солнечный свет. Это означает, что температура в зоне установки панелей будет сильно выше и может даже повлиять на климат целого региона. 

Причина 5: проблема переработки

Резкий рост производства солнечных панелей неизбежно приведет к тому, что когда-то все эти панели потребуется заменить. В довольно сжатые сроки на свалках окажутся сотни тысяч тонн панелей, содержащих кадмий, свинец и фторсодержащие соединения. Если их будут перерабатывать, то хорошо. Но как и в случае с аккумуляторами (необходимая для солнечной энергетики вещь) это вызывает легкие опасения. 

Однако все-таки главный фактор, который сильнее всего влияет на распространение солнечной энергетики — это экономическая целесообразность. Чем дешевле и доступнее технология, тем больше людей будет ее использовать. 

Стоимость одного ватта энергии от солнечных панелей, как мы видели выше, уже значительно снизилась. Но куда же двигаться дальше? Например можно:

• Снижать стоимость производства. Перспективным выглядит идея заменить кремний на перовскиты CaTiO3. Это более бюджетный с точки зрения производства минерал, чем кремний, но при этом его эффективность уже смогли довести до привычных 20%. Разработка ведется уже 15 лет, и пока массового перехода не случилось. Но возможно, в будущем ситуация изменится. 

• Увеличивать эффективность панели. Скажем, использовать элементы с многослойными P-N переходами, гетероструктуры и прочее. Сейчас это очень дорого, однако возможность увеличить эффективность предела Шокли-Квиссера до 40% и больше звучит очень многообещающе. Будем надеяться, что умные люди придумают, как удешевить производство такого метода, более эффективно использующего энергию Солнца. 

А как вы думаете, дойдет ли доля солнечной энергетики хотя бы до 15-20%? И главное, нужно ли это?

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.