В 1839 году французский учёный Александр Беккерель открыл фотоэлектрический (как говорят за рубежом, «фотовольтаический») эффект. Беккерель экспериментировал с металлическими пластинками, погружёнными в кислотный раствор, и обнаружил, что полученная электролитическая ячейка на свету давала больший ток, чем в темноте.
ВЕК БОЛЬШИХ ОТКРЫТИЙ
В 1873 году английский инженер Уиллоуби Смит открыл зависимость проводимости селена от его освещённости. В конце 1860-х он работал на прокладке трансатлантического кабеля, где с помощью селеновых стержней искал в нём дефекты, прежде чем погружать его на морское дно. Смит заметил, что диагностическое устройство хорошо работает ночью, но перестаёт давать результаты с восходом солнца. Заинтересованный необычным поведением селена, инженер поместил стержни в закрытый ящик. Выяснилось, что в отсутствие света их сопротивление было максимальным, а на свету - резко снижалось. Тремя годами позже, в 1876-м, британские физики Уильям Адамс и Ричард Дей смогли перевести селен в режим фотоэлектрической генерации.
Почти полвека понадобилось для того, чтобы от изначального открытия фотоэлектрического эффекта дойти до изготовления селенового элемента, предназначавшегося для солнечной генерации. Это сделал в 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриттс. Он нанёс на металлическую пластину тонкий слой селена, а сверху покрыл его полупрозрачным слоем сусального золота. Полученные панели Фриттс установил на крыше одного из домов в Нью-Йорке. Имея небольшой КПД (около 1%), они непрерывно вырабатывали ток даже при плохом освещении.
Солнечные панели Чарльза Фриттса
И ещё полвека прошло до тех пор, пока появились фотоэлектрические преобразователи с КПД выше 1%. Это были серноталлиевые элементы с запирающим слоем, созданные в 1930-х.
Немалую роль в развитии солнечной энергетики сыграл Альберт Эйнштейн. В 1905 году он опубликовал научную статью, где описал, каким образом свет несёт энергию и как возникает фотоэлектрический эффект. Физики, раньше вынужденные работать вслепую методом проб и ошибок, получили ориентир для прицельных исследований. А мировая общественность наконец признала легитимность получения электричества из солнечного света.
КРЕМНИЕВЫЙ ВЕК
Переходом к кремнию, основному полупроводниковому материалу для производства солнечных панелей, мы обязаны американскому инженеру Расселу Олу. В 1940-м он обнаружил p-n-переход в кристаллах кремния, после чего началась эра полупроводников. Любопытно, что это открытие было сделано случайно. В руки Ола попал бракованный образец кремния с трещиной посередине. Исследователь заметил, что этот образец выдаёт электрический ток под воздействием солнечного света. Как выяснилось впоследствии, трещина образовалась на границе областей с разной концентрацией примесей (тогда их наличие в кристаллах ещё невозможно было определить). На одной её стороне накапливался избыточный положительный, а на другой - избыточный отрицательный заряд.
В 1946 году инженер получил патент на конструкцию солнечного элемента, которая по сути лежит в основе современных фотоэлектрических панелей. Его эффективность тогда составляла около 1%.
О перспективах фотоэлектрической генерации мир узнал во многом благодаря Лабораториям Белла. Именно там в 1954 году трое учёных - Дерил Чапин, Кельвин Фуллер и Джеральд Пирсон - создали вполне практичные фотоэлементы из кремния с полупроводниковым переходом, которые показывали КПД около 6%. Демонстрационный образец приводил в движение игрушечное колесо обозрения и снабжал энергией радиопередатчик.
Учёные из Лабораторий Белла: «Солнечный элемент - это уже не игрушка»
КОСМИЧЕСКИЙ ВЕК
Солнечная энергетика не достигла бы сегодняшних высот, если бы не тяга человека в космос. Заряда электрохимических батарей спутникам хватало от силы на пару-тройку недель работы. Возможность получать энергию солнца на орбите стала для конструкторов космических аппаратов палочкой-выручалочкой.
В СССР в 1958 году состоялся запуск третьего искусственного спутника Земли, на борту которого были установлены первые кремниевые солнечные фотоэлементы. Когда аппарат заходил в земную тень, его аппаратура автоматически переключалась на питание от аккумулятора. Мощность солнечной батареи была невелика - она обеспечивала питание радиопередатчика, излучавшего всего четверть ватта. В том же году американцы создали космический аппарат «Авангард-1». Его солнечная батарея состояла из шести элементов, распределённых по сферической поверхности корпуса аппарата, и выдавала мощность около ватта.
Размещая солнечные элементы со всех сторон сферических спутников, конструкторы гарантировали непрерывную выработку электроэнергии при их вращении. Впоследствии сферические космические аппараты уступили место цилиндрическим, тоже покрытым со всех сторон солнечными элементами.
Благодаря росту потребности в энергии для питания бортовой аппаратуры вскоре появились раскрывающиеся шарнирные панели, которые ориентировались по солнцу. Важно то, что правительства космических держав не жалели средств на исследования и разработки. Солнечные элементы для космоса стоили буквально на вес золота, зато на них были отработаны технологии создания надёжных структур, способных годами работать в условиях высокого радиационного фона и резких перепадов температур. В частности, выяснилось, что такой полупроводник, как арсенид галлия, более устойчив к долговременному воздействию радиации, чем кремний. Арсенид-галлиевые панели медленнее деградируют и дольше служат в космосе.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЕК
Мировой нефтяной кризис 1970-х резко подстегнул развитие альтернативной энергетики всех видов, в том числе солнечной. В разных странах учёные и инженеры искали пути удешевления производства фотоэлектрических солнечных панелей. В результате уже в 1979 году на рынке появились первые серийные солнечные модули.
В 1980-е и 1990-е на волне развития микроэлектроники были отработаны технологии производства бездефектного монокристаллического кремния в крупных слитках и методы легирования полупроводников для придания им различных свойств. Развитие технологий микроэлектроники, силовой полупроводниковой электроники и солнечной энергетики шло параллельно, и они помогали друг другу в снижении цен благодаря эффекту масштаба.
Башенная солнечная электростанция
С начала нового тысячелетия развернулась настоящая гонка за повышение КПД солнечной фотоэлектрической генерации. Были придуманы изощрённые оптические концентраторы, системы теплоотвода и многопереходные структуры. Сегодня наибольшую эффективность показывают многопереходные фотоэлектрические элементы, составленные из нескольких слоёв разных полупроводников, таких как арсенид галлия, арсенид галлия-индия, германий. В них каждый полупроводниковый переход настроен на свой диапазон световых волн, благодаря чему КПД доходит до 40%.
Константин Честнов
