Приручение света: история солнечных панелей25.03.2024 14:31

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 156×156 мм (тип М0) до 217×217 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:

Фотоэлементы достаточно хрупкие, поэтому солнечные панели стараются как можно лучше защитить. Сверху устанавливается защитная рамка из закаленного стекла с антибликовой пленкой, а сами ячейки заливают специальным прозрачным компаундом — инкапсулянтом

Размеры и конфигурация солнечных панелей

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. 

Упрощенный принцип работы: вспоминаем школьный курс физики

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. 

Электромагнитный спектр — лишь малая часть солнечного света помогает солнечным панелям производить электричество

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.

Примерно так выглядит классическая схема подключения солнечной панели. Аккумуляторы необязательно должны быть на 12 В

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. 

Открытие фотогальванических свойств селена

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. 

Солнечная панель на крыше дома, начало XX века

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.

Один из патентов Джорджа Коува

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. 

Иллюстрации из патента Рассела Ола на светочувствительное устройство. В 1948 году Уильям Шокли представил миру транзистор, базирующийся на явлении P-N перехода

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. 

Запуск Nimbus показал, как солнечные панели могут обеспечить полное функционирование систем на орбите

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. 

Первый самолет на солнечной энергии Solar Challenger. Про современные удивительные устройства, работающие на базе солнечной энергии, расскажем в отдельной статье

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. 

Один из примеров использования солнечных панелей на крышах домов

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. 

Изменение стоимости использования солнечных панелей — сейчас речь идет о уже о центах за ватт. Самое резкое падение произошло в 2008 году после беспрецедентных субсидий в отрасль

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. 

Производство электроэнергии солнечными панелями по всему миру с 2000 по 2022 год

Солнечные панели на крыше дома в Индии. Сейчас это — вторая страна после Китая по уровню использования солнечной энергетики. США и страны Европы отстают

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.

© Habrahabr.ru