Величайшее изобретение: как появились солнечные батареи и почему они так популярны сегодня

Солнечные панели — одно из величайших изобретений человечества. О том, как появились фотоэлементы и об истории их развития в своей статье рассказал обозреватель Newatlas Джо Салас.

Солнечные панели из золота и похищение изобретателя

Впервые фотоэлектрическую солнечную панель установили в 1884 году, когда Чарльз Фриттс собрал массив размером с бильярдный стол на деревянной раме на крыше в Нью-Йорке. Фриттс использовал селен, покрытый тонкой пленкой золота, добившись эффективности преобразования солнечного света в электричество менее 1% для создания тока, который он описал как "непрерывный, постоянный и значительной силы".

Проект Фриттса не нашел развития, так как золото и селен не были дешевыми и распространенными материалами, которые, как правило, приводят к созданию коммерчески выгодной и конкурентоспособной продукции.

Позже канадец Джордж Коув, опираясь на работу Фриттса, разработал "солнечный электрический генератор", используя полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны, очень близкой к кремнию – основному материалу, используемому в современных солнечных панелях – и батарею для хранения и высвобождения энергии.

Газеты того времени сообщали, что строительство этого генератора стоило около 20 долларов США (660 долларов на сегодняшний день, — ред.), и что устройство сможет обеспечивать все энергетические потребности домохозяйства начала в течение 10 лет. Его демонстрация в 1909 году в Галифаксе вызвала значительный интерес инвесторов. К тому времени Коув открыл мастерскую в Нью-Йорке и собрал 5 млн долларов инвестиций.

Однако история с массовым производством фотоэлементов приняла странный оборот. Изобретатель заявил, что его похитили и предложили 25 000 долларов плюс дом, чтобы он отказался от своего проекта. Таким образом его хотели вытеснить с еще не занятого рынка. Критики обвинили Коува в инсценировке инцидента и в мошенничестве. Как бы то ни было, бизнес Джорджа рухнул и так и не восстановился, а рост добычи угля и нефти в 1911 году вскоре затмил солнечные технологии, фактически затормозив инновации в этом направлении на 40 лет.

Прорыв в солнечной энергетике и случайное открытие

В 1918 году польский химик Ян Чохральский случайно открыл метод выращивания монокристаллов, используемых в полупроводниковых пластинах, ныне известный как "метод Чохральского". Открытие произошло, когда ученый случайно окунул перо в тигель с расплавленным оловом вместо чернильницы и увидел затвердевшую нить олова, свисающую с ручки. Он исследовал нить и убедился, что это — монокристаллическая структура. Сегодня метод Чохральского является основой 90% всей электроники, а также используется при производстве солнечных электростанций.

В 1954 году, когда ученые Джеральд Пирсон, Кэлвин Фуллер и Дэрил Чапин из Bell Labs разработали первый практичный кремниевый солнечный элемент с КПД 6%. Это было прорывом, т.к. ранее КПД составлял менее 1%. А помог исследователям метод Чохральского, с помощью которого они вырастили кристаллический кремний.

Фотоэлементы в космосе — первое применение

Первое крупное применение солнечных батарей произошло в 1958 году, когда спутник Vanguard I запустили в космос. Это сделало его первым объектом, работающим на солнечной энергии. Vanguard I все еще вращается вокруг Земли, хотя последние байты данных он передал в 1964 году после шестилетней работы. И все благодаря солнечным панелям, потому что батареи не смогли бы обеспечить столь длительное функционирование.

Хотя технологические прорывы в солнечной энергетике были редки в 1960-х — 80-х, внедрение фотоэлектрических элементов медленно продвигалось, особенно в отдаленных местах, где линии электропередачи были непрактичными или слишком дорогостоящими. Например, радио- и телебашни, метеостанции, наземные спутниковые станции, ирригационные насосы, морские нефтяные платформы, маяки и буи — все они питались от солнечной энергии. А в развивающихся странах солнечная технология обеспечила электроснабжение отдаленных деревень.

1989 — год появления современных солнечных батарей

В 1989 году были разработаны многопереходные ячейки. Эти ячейки укладывают очень тонкие слои различных материалов, чтобы улавливать больше солнечной энергии. К 2006 году исследователи достигли эффективности 46% с многопереходными элементами, что почти вдвое превышает лучшие традиционные элементы из кристаллического кремния. Тем не менее, эти элементы остаются очень дорогими и в основном используются в специализированных аэрокосмической отрасли, например, на Международной космической станции, которая может генерировать до 120 кВт с помощью своих солнечных батарей.

Перовскит – материал, который недавно попал в заголовки газет из-за своего фотоэлектрического потенциала – привел к дальнейшему повышению эффективности. Благодаря своей уникальной кристаллической структуре он позволил тандемным элементам (сочетающим слои кремния и перовскита) достичь эффективности более 30%.

Двусторонние фотоэлементы также приобрели популярность за последнее десятилетие. Способные улавливать солнечный свет с обеих сторон. Они в основном используются на СЭС коммунального масштаба, предназначенных для подачи энергии в сеть. Такие устройства подвешивают над отражающими поверхностями для максимального поглощения.

Современные солнечные панели рассчитаны на срок службы 25-30 лет, прежде чем их производительность начнет ухудшаться, но даже в этом случае они теряют лишь около одного процента своей генерирующей мощности в год сверх заявленного срока службы.

Накопление энергии Солнца

Один из величайших прорывов в области солнечных технологий произошел в области аккумуляторных батарей. Из-за ограничения, связанного с выработкой электроэнергии только в течение части дня, хранение избыточной энергии имеет решающее значение для превращения солнечной энергии в надежный, круглосуточный источник питания, особенно в масштабе муниципальной сети.

По мере развития различных аккумуляторных технологий и снижения затрат, солнечная энергия становится все более жизнеспособной для обеспечения стабильной и надежной энергии даже ночью с использованием блоков батарей, заряжаемых солнцем. Литий-ионные, литий-железо-фосфатные (LiFePO4), железо-воздушные аккумуляторы применяются для хранения механической энергии. Ученые работают над тем, чтобы улучшать плотность их и экономическую эффективность.

Интересно наблюдать за тем, как эти технологии развиваются и находят свое место в будущей структуре экологически чистой энергетики – некоторые из них предназначены для борьбы с кратковременными и высокоскоростными скачками спроса на электроэнергию, другие сосредоточены на долгосрочном, медленном укреплении сетей, чтобы гарантировать их работоспособность.

Солнечная энергия: планы на будущее

Солнечная энергия в настоящее время является мощнейшей и одной из самых популярных форм чистой энергии, поскольку мир сосредоточен на снижении уровня выбросов углекислого газа к 2050 году.

Солнечная энергия коммунального назначения является вторым самым дешевым видом электроэнергии на рынке. Она уступает только наземной ветроэнергетике и составляет примерно половину стоимости угольной электроэнергии.

Пройдя долгий путь от простого изобретения Чарльза Фриттса, солнечная панель стала одной из самых важных инноваций человечества – надежной, экономически жизнеспособной формой чистой энергии, способной масштабироваться достаточно быстро, чтобы не отставать от постоянно растущей потребности в электроэнергии.