Подробное и простое описание работы солнечных панелей и прогнозы на будущее

Наш недавний обзор солнечных панелей мог оставить у вас впечатление, что сбор солнечной энергии – дело новое, однако люди эксплуатируют её уже тысячи лет. С её помощью они обогревают дома, готовят и греют воду. Некоторые из самых ранних документов, описывающих сбор солнечной энергии, восходят к древней Греции. Сам Сократ говорил, «в домах, смотрящих на юг, зимнее солнце проникает через галерею, а летом путь солнца проходит над нашей головою и прямо над крышей, из-за чего образуется тень». Он описывает то, как греческая архитектура использовала зависимость солнечных путей от времён года.

В V столетии до н.э. греки столкнулись с энергетическим кризисом. Преобладавшее топливо, древесный уголь, заканчивалось, поскольку они вырубили все леса для готовки и обогрева жилищ. Были введены квоты на лес и уголь, а оливковые рощи приходилось защищать от граждан. Греки подошли к проблеме кризиса, тщательно планируя городскую застройку, чтобы удостовериться в том, что каждый дом может воспользоваться преимуществами солнечного света, описанными Сократом. Комбинация технологий и просвещённых регуляторов сработала, и кризиса удалось избежать.

Как пьют чай в Тибете

Со временем технологии сбора тепловой энергии солнца только росли. Колонисты Новой Англии позаимствовали технологии строительства домов у древних греков, чтобы согреваться в холодные зимы. Простые пассивные солнечные водонагреватели, не сложнее покрашенной в чёрный цвет бочки, продавались в США в конце XIX века. С тех пор были разработаны более сложные солнечные коллекторы, прокачивающие воду через поглощающие или фокусирующие свет панели. Горячая вода хранится в изолированном баке. В замерзающих климатах используется двухжидкостная система, в которой солнце греет смесь воды с антифризом, проходящую через спираль в баке для хранения воды, выполняющего ещё одну роль, роль теплообменника.

Солнечные коллекторы на крышах Кипра

Сегодня доступно множество сложных коммерческих систем для нагрева воды и воздуха в доме. Солнечные коллекторы устанавливаются по всему миру, и больше всего их в пересчёте на душу населения стоит в Австрии, на Кипре и в Израиле.

Солнечный коллектор на крыше в Вашингтоне D.C.

Современная история солнечных панелей начинается с 1954 года, с открытия практического способа добычи электричества из света: лаборатории Белла открыли, что из кремния можно делать фотовольтаический материал. Это открытие стало основой сегодняшних солнечных панелей (устройств, превращающих свет в электричество) и запустило новую эру солнечной энергии. С помощью интенсивных исследований сегодняшняя эра солнечной энергии продолжается, и солнце намеревается стать главным источником энергии в будущем.

Что такое солнечный элемент?

Самый распространённый тип солнечного элемента – полупроводниковое устройство из кремния – дальнего родственника твердотельного диода. Солнечные панели делаются из набора солнечных элементов, подключенных друг к другу и создающих на выходе ток с нужным напряжением и силой. Элементы окружаются защитным кожухом и накрываются оконным стеклом.

Солнечные элементы генерируют электричество благодаря фотовольтаическому эффекту, открытому совсем не в лабораториях Белла. Впервые его в 1839 году обнаружил французский физик Александр Эдмон Беккерель, сын физика Антуана Сезара Беккереля и отец физика Антуана Анри Беккереля, получившего нобелевскую премию и открывшего радиоактивность. Чуть больше чем через сто лет в лаборатории Белла был достигнут прорыв в изготовлении солнечных элементов, что и стало основой для создания самого распространённого типа солнечных батарей.

На языке физики твёрдого тела, солнечный элемент создаётся на базе p-n-перехода в кристалле кремния. Переход создаётся через добавление в разные области кристалла небольших количеств разных дефектов; интерфейс между этими областями и будет переходом. На стороне n ток переносят электроны, а на стороне p – дырками, где электроны отсутствуют. В регионах, примыкающих к интерфейсу, диффузия зарядов создаёт внутренний потенциал. Когда в кристалл попадает фотон, обладающий достаточной энергией, он может выбить электрон из атома, и создать новую пару электрон-дырка.

Только что освобождённый электрон притягивается к дыркам с другой стороны перехода, но из-за внутреннего потенциала он не может перейти его. Но если электронам предоставить путь через внешний контур, они пойдут по нему и осветят по пути наши дома. Дойдя до другой стороны, они рекомбинируются с дырками. Этот процесс продолжается, пока светит Солнце.

Требуемая для освобождения связанного электрона энергия называется шириной запрещённой зоны. Это ключ к пониманию того, почему у фотовольтаических элементов есть присущее им ограничение по эффективности. Ширина запрещённой зоны – постоянное свойство кристалла и его примесей. Примеси регулируются таким образом, что у солнечного элемента ширина запрещённой зоны оказывается близкой к энергии фотона из видимого диапазона спектра. Такой выбор диктуется практическими соображениями, поскольку видимый свет не поглощается атмосферой (иначе говоря, люди в результате эволюции приобрели способность видеть свет с самыми распространёнными длинами волн).

Энергия фотонов квантуется. Фотон с энергией меньшей, чем ширина запрещённой зоны (например, из инфракрасной части спектра), не сможет создать переносчик заряда. Он просто нагреет панель. Два инфракрасных фотона тоже не сработают, даже если их общей энергии будет достаточно. Фотон излишне большой энергии (допустим, из ультрафиолетового диапазона) выбьет электрон, но лишняя энергия будет потрачена зря.

Поскольку эффективность определяется как количество энергии света, падающего на панель, делённое на количество полученной электроэнергии – и поскольку значительная часть этой энергии будет потерянной – эффективность не может достичь 100%.

Ширина запрещённой зоны у кремниевого солнечного элемента равна 1,1 эВ. Как видно из диаграммы электромагнитного спектра, видимый спектр находится в области чуть повыше, поэтому любой видимый свет даст нам электроэнергию. Но также это значит, что часть энергии каждого поглощённого фотона теряется и превращается в тепло.

В результате получается, что даже у идеальной солнечной панели, произведённой в безупречных условиях, теоретический максимум эффективности составит порядка 33%. У коммерчески доступных панелей эффективность составляет обычно 20%.

Перовскиты

Большая часть коммерчески устанавливаемых солнечных панелей делается из описанных выше кремниевых ячеек. Но в лабораториях всего мира ведутся исследования других материалов и технологий.

Одна из самых многообещающих областей последнего времени – изучение материалов под названием перовскиты. Минерал перовскит, CaTiO₃, был назван в 1839 году в честь русского государственного деятеля графа Л. А. Перовского (1792–1856), который был коллекционером минералов. Минерал можно найти на любом из континентов Земли и в облаках, по меньшей мере, одной экзопланеты. Перовскитами также называют синтетические материалы, имеющие ту же ромбическую структуру кристалла, что и естественный перовскит, и обладающие схожей по структуре химической формулой.

В зависимости от элементов, перовскиты демонстрируют различные полезные свойства, такие, как сверхпроводимость, гигантское магнетосопротивление, и фотовольтаические свойства. Их использование в солнечных ячейках вызвало много оптимизма, поскольку их эффективность в лабораторных исследованиях возросла за последние 7 лет с 3,8% до 20,1%. Быстрый прогресс вселяет веру в будущее, особенно в связи с тем, что ограничения эффективности становятся всё яснее.

В недавних экспериментах в Лос-Аламосе было показано, что солнечные элементы из определённых перовскитов приблизились по эффективности к кремнию, будучи при этом дешевле и проще в изготовлении. Секрет привлекательности перовскитов в возможности просто и быстро выращивать кристаллы миллиметровых размеров без дефектов на тонкой плёнке. Это очень большой размер для идеальной кристаллической решётки, которая, в свою очередь, позволяет электрону путешествовать по кристаллу без помех. Это качество частично компенсирует неидеальную ширину запрещённой зоны в 1,4 эВ, по сравнению с почти идеальным значением для кремния – 1,1 эВ.

Большая часть исследований, направленных на увеличение эффективности перовскитов, связана с поиском путей устранения дефектов в кристаллах. Конечная цель – изготовить целый слой для элемента из идеальной кристаллической решётки. Исследователи из MIT недавно добились большого прогресса в этом вопросе. Они обнаружили, как можно «заживлять» дефекты плёнки, сделанной из определённого перовскита, облучая её светом. Этот метод гораздо лучше предыдущих методов, включавших химические ванны или электрический ток, благодаря отсутствию контакта с плёнкой.

Приведут ли перовскиты к революции в стоимости или эффективности солнечных панелей, пока неясно. Изготавливать их легко, но пока что они слишком быстро распадаются.

Множество исследователей пытается решить проблему распада. Совместное исследование китайцев и швейцарцев привело к получению нового способа формирования ячейки из перовскита, избавленной от необходимости движения дырок. Поскольку деградирует именно слой с дырочной проводимостью, материал должен быть гораздо более стабильным.

Перовскитовые солнечные ячейки на оловянной основе

Недавнее сообщение из лаборатории Беркли описывает, как перовскиты однажды смогут достичь теоретического лимита эффективности в 31%, и всё равно остаться более дешёвыми в производстве, чем кремниевые. Исследователи измерили эффективность преобразования различных зернистых поверхностей при помощи атомной микроскопии, измеряющей фотопроводимость. Они обнаружили, что у разных граней сильно отличается эффективность. Теперь исследователи считают, что могут найти способ производить плёнку, на которой с электродами будут соединены только самые эффективные грани. Это может привести к достижению ячейкой эффективности в 31%. Если это сработает, то станет революционным прорывом в технологии.

Другие направления исследований

Возможно производство многослойных панелей, поскольку ширину запрещённой зоны можно настраивать, изменяя добавки. Каждый слой можно настроить на определённую длину волны. Такие ячейки теоретически могут достигать 40% эффективности, но пока остаются дорогими. В результате их проще найти на спутнике НАСА, чем на крыше дома.

В исследовании учёных из Оксфорда и Института кремниевой фотовольтаики в Берлине многослойность объединили с перовскитами. Работая над проблемой разлагаемости материала, команда открыла возможность создавать перовскит с настраиваемой шириной запрещённой зоны. Им удалось сделать версию ячейки с шириной зоны в 1,74 эВ, что практически идеально для изготовления в паре с кремниевым слоем. Это может привести к созданию недорогих ячеек с эффективностью в 30%.

Группа из Нотрдамского университета разработала фотовольтаическую краску из полупроводниковых наночастиц. Этот материал пока ещё не настолько эффективный, чтобы заменить солнечные панели, но производить его проще. Среди преимуществ – возможность нанесения на разные поверхности. В потенциале его будет проще применять, чем жёсткие панели, которые необходимо крепить на крышу.

Несколько лет назад команда из MIT достигла прогресса в создании солнечного теплового топлива. Такое вещество может хранить солнечную энергию внутри себя долгое время, а затем выдавать её по запросу при применении катализатора или нагревании. Топливо достигает это через нереактивное преобразование своих молекул. В ответ на солнечное излучение молекулы преобразуются в фотоизомеры: химическая формула та же, но форма меняется. Солнечная энергия сохраняется в виде добавочной энергии в межмолекулярных связях изомера, который можно представить, как более высокоэнергетическое состояние изначальной молекулы. После запуска реакции молекулы переходят в оригинальное состояние, преобразуя хранившуюся энергию в тепло. Тепло можно использовать напрямую или преобразовывать в электричество. Такая идея потенциально устраняет необходимость в использовании аккумуляторов. Топливо можно перевозить и использовать полученную энергию где-то ещё.

После публикации работы из MIT, в которой использовался фульвален дирутения, некоторые лаборатории пытаются решить проблемы с производством и стоимостью материалов, и разработать систему, в которой топливо будет достаточно стабильным в заряженном состоянии, и способным «перезаряжаться», чтобы его можно было использовать многократно. Всего два года назад те же учёные из MIT создали солнечное топливо, способное испытать не менее 2000 циклов зарядки/разрядки без видимого ухудшения производительности.

Инновация состояла в соединении топлива (это был азобензол) с углеродными нанотрубками. В результате его молекулы выстраивались определённым образом. Получившееся топливо обладало эффективностью в 14%, и плотностью энергии схожей со свинцово-кислотным аккумулятором.

Наночастицы сульфида меди-цинка-олова

В более новых работах солнечное топливо изготовили в виде прозрачных плёнок, которые можно наклевать на лобовое стекло автомобиля. Ночью плёнки растапливают лёд за счёт энергии, набранной в течение дня. Скорость прогресса в этой области не оставляет сомнений, что солнечное тепловое топливо вскоре перенесётся из лабораторий в область привычных технологий.

Ещё один способ создания топлива напрямую из солнечного света (искусственный фотосинтез) разрабатывается исследователями из Иллинойсского университета в Чикаго. Их «искусственные листья» используют солнечный свет для превращения атмосферного углекислого газа в «синтез-газ», в смесь водорода и монооксида углерода. Синтез-газ можно сжигать или преобразовывать в более привычные виды топлива. Процесс помогает удалять лишний CO₂ из атмосферы.

Команда из Стэнфорда создала прототип солнечной ячейки с использованием углеродных нанотрубок и фуллеренов вместо кремния. Их эффективность гораздо ниже коммерческих панелей, зато для их создания используется только углерод. В прототипе нет никаких токсичных материалов. Это более экологичная альтернатива кремнию, но для достижения экономической выгоды ей нужно поработать над эффективностью.

Продолжаются исследования и других материалов и технологий производства. Одна из многообещающих областей исследований включает монослои, материалы со слоем толщиной в одну молекулу (типа графена). Хотя абсолютная фотовольтаическая эффективность таких материалов невелика, их эффективность на единицу массы превышает привычные кремниевые панели в тысячи раз.

Другие исследователи пытаются изготавливать солнечные элементы с промежуточным диапазоном. Идея в том, чтобы создать материал с наноструктурой или особый сплав, в котором смогут работать фотоны с энергией, недостаточной для преодоления обычной ширины запрещённой зоны. В таком материале пара низкоэнергетических фотонов сможет выбить электрон, чего нельзя добиться в обычных твердотельных устройствах. Потенциально такие устройства будут более эффективными, так как задействуют больший диапазон длин волн.

Разнообразие областей исследования фотовольтаических элементов и материалов, и быстрый уверенный прогресс с момента изобретения кремниевого элемента в 1954 году вселяет уверенность, что энтузиазм принятия солнечной энергии не только сохранится, но и будет возрастать.

И эти исследования происходят как раз вовремя. В недавнем мета-исследовании было показано, что солнечная энергия по соотношению полученной энергии к затраченной, или по энергетической рентабельности, обогнала нефть и газ. Это существенный поворотный момент.

Мало сомнений в том, что солнечная энергия в результате превратится в значительную, если не в доминирующую, форму энергии как в промышленности, так и в частном секторе. Остаётся надеяться, что уменьшение необходимости в сжигании ископаемого топлива случится до того, как произойдёт необратимое изменение глобального климата.