Найвеличніший винахід: як з'явилися сонячні батареї і чому вони такі популярні сьогодні

Сонячні панелі — один із найбільших винаходів людства. Про те, як з'явилися фотоелементи і про історію їхнього розвитку у своїй статті розповів оглядач Newatlas Джо Салас.

Сонячні панелі із золота та викрадення винахідника

Уперше фотоелектричну сонячну панель встановили 1884 року, коли Чарльз Фріттс зібрав масив розміром з більярдний стіл на дерев'яній рамі на даху в Нью-Йорку. Фріттс використовував селен, вкритий тонкою плівкою золота, домігшись ефективності перетворення сонячного світла в електрику менше 1% для створення струму, який він описав як "безперервний, постійний і значної сили".

Проєкт Фріттса не знайшов розвитку, оскільки золото і селен не були дешевими і поширеними матеріалами, які, як правило, призводять до створення комерційно вигідної та конкурентоспроможної продукції.

Пізніше канадець Джордж Коув, спираючись на роботу Фріттса, розробив "сонячний електричний генератор", використовуючи напівпровідниковий матеріал із шириною забороненої зони, дуже близькою до кремнію — основного матеріалу, який використовують у сучасних сонячних панелях, — і батарею для зберігання і вивільнення енергії.

Газети того часу повідомляли, що будівництво цього генератора коштувало близько 20 доларів США (660 доларів на сьогодні, — ред.), і що пристрій зможе забезпечувати всі енергетичні потреби домогосподарства початку протягом 10 років. Його демонстрація 1909 року в Галіфаксі викликала значний інтерес інвесторів. На той час Коув відкрив майстерню в Нью-Йорку і зібрав 5 млн доларів інвестицій.

Однак історія з масовим виробництвом фотоелементів прийняла дивний оборот. Винахідник заявив, що його викрали і запропонували 25 000 доларів плюс будинок, щоб він відмовився від свого проєкту. У такий спосіб його хотіли витіснити з ще не зайнятого ринку. Критики звинуватили Коува в інсценуванні інциденту і в шахрайстві. Хай там як, бізнес Джорджа завалився і так і не відновився, а зростання видобутку вугілля і нафти в 1911 році незабаром затьмарило сонячні технології, фактично загальмувавши інновації в цьому напрямі на 40 років.

Прорив у сонячній енергетиці та випадкове відкриття

1918 року польський хімік Ян Чохральський випадково відкрив метод вирощування монокристалів, використовуваних у напівпровідникових пластинах, нині відомий як "метод Чохральського". Відкриття сталося, коли вчений випадково занурив перо в тигель із розплавленим оловом замість чорнильниці і побачив затверділу нитку олова, що звисала з ручки. Він дослідив нитку і переконався, що це — монокристалічна структура. Сьогодні метод Чохральського є основою 90% усієї електроніки, а також використовується при виробництві сонячних електростанцій.

У 1954 році, коли вчені Джеральд Пірсон, Келвін Фуллер і Деріл Чапін з Bell Labs розробили перший практичний кремнієвий сонячний елемент з ККД 6%. Це було проривом, оскільки раніше ККД становив менше 1%. А допоміг дослідникам метод Чохральського, за допомогою якого вони виростили кристалічний кремній.

Фотоелементи в космосі — перше застосування

Перше велике застосування сонячних батарей відбулося 1958 року, коли супутник Vanguard I запустили в космос. Це зробило його першим об'єктом, що працює на сонячній енергії. Vanguard I все ще обертається навколо Землі, хоча останні байти даних він передав у 1964 році після шестирічної роботи. І все завдяки сонячним панелям, тому що батареї не змогли б забезпечити настільки тривале функціонування.

Хоча технологічні прориви в сонячній енергетиці були рідкісними в 1960-х — 80-х, впровадження фотоелектричних елементів повільно просувалося, особливо у віддалених місцях, де лінії електропередачі були непрактичними або занадто дорогими. Наприклад, радіо- і телевежі, метеостанції, наземні супутникові станції, іригаційні насоси, морські нафтові платформи, маяки і буї — всі вони живилися від сонячної енергії. А в країнах, що розвиваються, сонячна технологія забезпечила електропостачання віддалених сіл.

1989 — рік появи сучасних сонячних батарей

У 1989 році було розроблено багатоперехідні комірки. Ці комірки укладають дуже тонкі шари різних матеріалів, щоб уловлювати більше сонячної енергії. До 2006 року дослідники досягли ефективності 46% з багатоперехідними елементами, що майже вдвічі перевищує кращі традиційні елементи з кристалічного кремнію. Проте, ці елементи залишаються дуже дорогими і в основному використовуються в спеціалізованих аерокосмічній галузі, наприклад, на Міжнародній космічній станції, яка може генерувати до 120 кВт за допомогою своїх сонячних батарей.

Перовскіт — матеріал, який нещодавно потрапив до заголовків газет через свій фотоелектричний потенціал — призвів до подальшого підвищення ефективності. Завдяки своїй унікальній кристалічній структурі він дав змогу тандемним елементам (що поєднують шари кремнію та перовскіту) досягти ефективності понад 30%.

Двосторонні фотоелементи також набули популярності за останнє десятиліття. Здатні вловлювати сонячне світло з обох боків. Вони в основному використовуються на СЕС комунального масштабу, призначених для подачі енергії в мережу. Такі пристрої підвішують над поверхнями, що відбивають, для максимального поглинання.

Сучасні сонячні панелі розраховані на термін служби 25-30 років, перш ніж їхня продуктивність почне погіршуватися, але навіть у цьому разі вони втрачають лише близько одного відсотка своєї генеруючої потужності на рік понад заявлений термін служби.

Накопичення енергії Сонця

Один з найбільших проривів в області сонячних технологій стався в області акумуляторних батарей. Через обмеження, пов'язане з виробленням електроенергії тільки протягом частини дня, зберігання надлишкової енергії має вирішальне значення для перетворення сонячної енергії в надійне, цілодобове джерело живлення, особливо в масштабі муніципальної мережі.

У міру розвитку різних акумуляторних технологій і зниження витрат, сонячна енергія стає дедалі більш життєздатною для забезпечення стабільної та надійної енергії навіть вночі з використанням блоків батарей, що заряджаються сонцем. Літій-іонні, літій-залізо-фосфатні (LiFePO4), залізо-повітряні акумулятори застосовуються для зберігання механічної енергії. Вчені працюють над тим, щоб покращувати їхню щільність та економічну ефективність.

Цікаво спостерігати за тим, як ці технології розвиваються і знаходять своє місце в майбутній структурі екологічно чистої енергетики — деякі з них призначені для боротьби з короткочасними і високошвидкісними стрибками попиту на електроенергію, інші зосереджені на довгостроковому, повільному зміцненні мереж, щоб гарантувати їхню працездатність.

Сонячна енергія: плани на майбутнє

Сонячна енергія нині є найпотужнішою і однією з найпопулярніших форм чистої енергії, оскільки світ зосереджений на зниженні рівня викидів вуглекислого газу до 2050 року.

Сонячна енергія комунального призначення є другим найдешевшим видом електроенергії на ринку. Вона поступається лише наземній вітроенергетиці та становить приблизно половину вартості вугільної електроенергії.

Пройшовши довгий шлях від простого винаходу Чарльза Фріттса, сонячна панель стала однією з найважливіших інновацій людства — надійною, економічно життєздатною формою чистої енергії, здатною масштабуватися досить швидко, щоб не відставати від постійно зростаючої потреби в електроенергії.