К 2050 году солнечная энергетика сможет производить до 45 % электричества в США. По крайней мере, такая возможность декларируется в докладе Министерства энергетики при условии, что власти и дальше будут проводить политику по борьбе с изменением климата и вкладывать деньги в альтернативную энергетику. Пока что солнечные электростанции вырабатывают 3 % американской электроэнергии — и это рекордный показатель.
Проблемы на прокладке кабеля
В представлении большинства из нас солнечная энергетика — это несколько панелей, которые установлены на крыше дома или просто в чистом поле. В таком случае энергия солнца преобразуется в электрическую напрямую благодаря явлению фотоэффекта.
Еще в 1843 году Александр Эдмон Беккерель заметил, что под воздействием солнечного света может генерироваться электричество. Физик погружал пластинки хлорида серебра в раствор кислоты и заметил, что ток изменяется в зависимости от интенсивности облучения. Позже этот процесс назовут внутренним фотоэффектом.
Следующий важный шаг сделал инженер-электрик Уиллоуби Смит. В конце 1860-х годов он работал на прокладке трансатлантического кабеля и использовал стержни из селена для поиска в нем дефектов перед погружением на морское дно. Смит заметил, что его устройство хорошо работало ночью, но переставало давать результат с восходом солнца. Заинтересованный необычным поведением селена, инженер поместил стержни в закрытый ящик. Когда они не подвергались воздействию света, их сопротивление было максимальным, а на свету проводимость резко увеличивалась.
Статьей Смита в журнале Общества инженеров телеграфии заинтересовались британские физики Уильям Адамс и Ричард Дэй. Они провели несколько экспериментов с селеном и убедились, что ток возникает в нем под действием света. Этот процесс отличался от опыта Беккереля, в котором ток появлялся за счет химической реакции, а свет лишь влиял на интенсивность процесса.
Объясните кто-нибудь
Американский изобретатель Чарльз Фриттс в 1883 году облек результаты опытов в практически образец. Он нанес на металлическую пластину тонкий слой селена, который покрыл полупрозрачным слоем сусального золота. Такие панели Фриттс установил на крыше одного из домов Нью-Йорка. Хотя их КПД был около 1 %, они непрерывно вырабатывали ток даже при плохом освещении.
Однако на тот момент теоретическая физика все еще не могла объяснить, как из солнечного света получается электричество. Поэтому мир не отнесся к изобретению Фриттса серьезно, хотя сам инженер был уверен, что его пластины могут составить конкуренцию тепловым электростанциям.
Лишь в 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил, что происходит, создав теорию фотоэффекта. Он первым предположил, что свет излучается порциями, или квантами (позже их назовут фотонами). Фотоны, попадая на пластинку из селена, «выбивают» электроны из атомов — и получается электрический ток. Разумеется, это объяснение до жути примитивно, но в целом дает представление о происходящем. После публикации работы Эйнштейна (кстати, великий физик получил Нобелевскую премию именно за теорию фотоэффекта) мировая общественность наконец признала легитимность получения электричества из солнечного света. Однако тогдашняя промышленность не выказала энтузиазма по этому поводу: эффективность такого способа была слишком мала.
Все твои трещинки
Все изменилось в 1940-м. Рассел Ол обнаружил явление p-n-перехода в кристаллах кремния, чем положил начало эре полупроводников. Любопытно, что это открытие было сделано случайно. В руки Ола попал бракованный образец кремния — с трещиной посередине. Однако исследователь заметил, что в этом образце ток течет, когда тот подвергается воздействию солнечного света. На самом деле трещина образовалась на границе областей с разным уровнем примесей (тогда еще невозможно было определить их наличие в образцах). Из-за трещины на одной стороне накапливался избыточный положительный заряд, а на другой — избыточный отрицательный. Фотон давал толчок электронам — и таким образом возникал электрический ток.
В 1946 году инженер получил патент на конструкцию солнечного элемента, которая лежит в основе современных солнечных панелей. Эффективность его тогда составляла около 1 %.
В 1954 году Bell Laboratories продемонстрировала миру первый рабочий кремниевый солнечный элемент. Он приводил в движение игрушечное колесо обозрения и снабжал энергией радиопередатчик. По сравнению с первым элементом КПД значительно улучшился, повысившись до 6 %.
Однако широкая коммерческая реализация солнечных панелей была все еще невозможна — слишком трудным и дорогим был процесс их изготовления. Поэтому номинальная цена за 1 ватт произведенной электроэнергии составляла несколько тысяч долларов, а на производство элементов уходило больше энергии, чем они вырабатывали за срок службы.
А вот для космических спутников технология оказалась в самый раз. Первым аппаратом с солнечными панелями стал запущенный в 1958 году американский Vanguard 1, который, к слову, все еще находится на орбите (и, по прогнозам, пробудет там еще сотни, если не тысячи лет).
Но с тех пор ситуация изменилась. Резко подстегнул развитие солнечной энергетики (как, впрочем, и всех других альтернативных источников) мировой нефтяной кризис 1970-х годов. Инженеры из разных стран искали пути удешевления производства солнечных панелей и увеличения срока их службы. В результате уже в 1979 году на рынке появились первые серийные солнечный панели.
Дешевле, эффективнее, долговечнее
Хотя технологии менялись, кремний все еще остается основным материалом для производства солнечных панелей. Начиная с 2008 года цены на кремниевые солнечные панели падают — не в последнюю очередь благодаря выходу на рынок дешевых производителей из Китая. Также падала и стоимость 1 ватта производимой электроэнергии — в 2019 году она оценивалась в 0,068 доллара.
Однако ученые продолжают поиск новых материалов, повышающих КПД солнечных батарей. Так, в 2012 году компания Morgan Solar создала систему, которая состоит из лабиринтов, выполненных из оргстекла, направляющих свет к высокоэффективному элементу на основе германия и арсенида галлия. КПД такой системы — 26–30 %.
В 2018 году британские физики открыли флексо-фотовольтаический эффект, который теоретически увеличит предел КПД любых фотоэлементов с 34 до 66 %. В 2019 году российские ученые сообщили о создании материала, который позволит производить солнечные батареи с низкой стоимостью и высокой эффективностью.
Очевидно, что поиски новых материалов для солнечных панелей будут продолжаться. А это значит, что у солнечной энергетики есть будущее — дешевое и высокоэффективное.