Технологии переработки солнечного света. Прошлое и будущее солнечных панелей

Согласно последнему отчету Международного энергетического агентства (IEA) "Renewables 2023", по состоянию на конец 2023 года общая установленная мощность солнечных фотоэлектрических (PV) панелей в мире составляла примерно 1 400–1 500 ГВт. Ожидается, к концу 2025 года общая мощность может превысить 2 000 ГВт (то есть около 2 ТВт). Технология, которую придумали еще в 1954 году (а предпосылки появились вообще в XIX веке), за последние десятилетия стала важной частью нашей жизни. Тысячи хозяйств по всему миру устанавливают такие элементы на крыше и экономят на оплате за потребление электричества, а также более эффективно отапливают свои дома.

Как появилась технология переработки солнечного света? Что ждать в будущем? Давайте разбираться.

---

Солнечная панель. Что это и "с чем ее едят".

Для начала посмотрим, в чем суть технологии (на уровне школьного курса физики).

Солнечная панель состоит из множества фотоэлектрических ячеек, преобразующих световую энергию в электрическую. Каждая ячейка, как правило, изготовлена на основе кремния и имеет определённую выходную мощность, которая указывается при стандартных условиях испытаний — освещённости 1000 Вт/м², температуре 25°C и массе воздуха AM 1.5. На практике такие условия редко достигаются, поэтому реальная мощность обычно ниже. Чем ниже уровень освещённости, тем меньше электроэнергии способна выработать панель.

Сами ячейки имеют разные размеры и полезную площадь, и как следствие — выходные ток и мощность. В современных вариантах бывают ячейки размеров от 156х156 мм (тип М0) до 217х217 мм (тип М12+), которые выдают фиксированное напряжение 0,5-0,6 В.

Ячейки соединяют между собой последовательно-параллельно и добиваются более высоких значений максимальной мощности и напряжения. Например, часто панели состоят из 36, 48, 60, 72, 144 и так далее. Для понимания:

Теперь рассмотрим, что происходит внутри солнечной панели с точки зрения физики — это явление известно как фотогальванический эффект.

Его основой служит полупроводниковая проводимость и, в частности, так называемый P-N-переход. Кремний (Si) — элемент 14-й группы, в его атоме 14 электронов, распределённых по трём орбиталям. Первые две орбитали полностью заполнены (2 и 8 электронов), а на третьей находятся лишь 4 электрона из возможных восьми.

Однако чистый кремний обладает слабой электропроводностью из-за своей кристаллической структуры. Чтобы создать свободные носители заряда, в него вводят легирующие примеси. Например, добавляя фосфор (5 валентных электронов), получают N-проводимость. Четыре электрона формируют связи с атомами кремния, а пятый остаётся свободным и способен перемещаться под действием электрического поля.

Для создания P-проводимости в кремний добавляют бор — элемент 13-й группы, имеющий на один электрон меньше во внешней оболочке, чем у кремния. Это приводит к образованию «дырок» — положительных носителей заряда.

При соединении материалов с P- и N-проводимостью на границе формируется переходный слой, в котором электроны и дырки рекомбинируют, образуя потенциальный барьер. Чтобы преодолеть его, необходимо затратить энергию, равную ширине запрещённой зоны . Именно здесь в дело вступает солнечное излучение: если энергия фотонов достаточна, они возбуждают электроны, позволяя им пересечь барьер и начать движение. В результате в замкнутом контуре возникает электрический ток.

Эффективность солнечных панелей зависит от ширины запрещённой зоны полупроводникового материала. Для кремния, легированного фосфором и бором, этот параметр составляет примерно 1,1 электрон-вольта (эВ). Эта характеристика влияет на способность материала поглощать свет. Если энергия фотона ниже необходимого уровня, например, при инфракрасном излучении, электронный переход не происходит, и энергия превращается в тепло. При этом, если энергия фотона превышает требуемую, переход происходит, но избыточная энергия также рассеивается в виде тепла, что снижает общую эффективность.

В результате, реальная эффективность солнечных панелей составляет всего около 14-23%. Это объясняется тем, что солнечный свет падает под различными углами в течение дня, его интенсивность уменьшается при облачности, а ночью солнечные панели не функционируют.

Основными факторами, определяющими эффективность солнечных элементов, являются используемые материалы и технологии их производства. Эти параметры влияют на такие характеристики, как ширина запрещённой зоны, способность поглощать солнечное излучение и преобразовывать его в электричество. Рассмотрим наиболее распространённые типы солнечных элементов:

• Монокристаллический кремний (crystalline-Si, c-Si) — более дорогая технология, при которой кремний выращивается методом Чохральского. Такой подход позволяет получить более качественную кристаллическую решетку, что повышает эффективность панелей до 19-22%.

• Поликристаллический кремний (multicrystalline-Si, mc-Si) — более дешевый метод, при котором кремний кристаллизуется в тигле, используя метод Стокбаргера-Бриджмена. Получаемые структуры состоят из множества разнонаправленных кристаллитов, что снижает эффективность до 14-18%. Однако такие панели имеют более низкую стоимость.

• Тонкоплёночные солнечные элементы — в этом случае на подложку наносят различные полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия, германий, теллурий и аморфный кремний (a-Si). Эти панели имеют эффективность 10-20%, но они значительно легче и гибче, что делает их идеальными для применения в таких областях, как аэрокосмическая промышленность.

Важным направлением исследований в области материалов для солнечных панелей является преодоление предел Шокли-Квиссера в 33,5%. Это теоретическая максимальная эффективность, которую невозможно достичь на элементах с одиночным PN-переходом. Поэтому разрабатываются многослойные переходы , в которых эффективность уже достигает 46%. Однако эта технология является дорогостоящей и в ближайшее время вряд ли станет массовой.

Одной из особенностей солнечных панелей является необходимость хранения избыточной энергии, вырабатываемой в дневное время. Поскольку ночью солнечные панели не генерируют электричество, накопленную энергию необходимо использовать из аккумуляторов. Однако для обеспечения долговечности аккумуляторов важно соблюдать правильный режим зарядки, при этом ток должен быть точно контролируемым. Но как можно обеспечить такой контроль, если интенсивность солнечного света изменяется в течение дня?

Для решения этой задачи используются специализированные контроллеры заряда. Простые из них работают по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а более эффективные используют технологию отслеживания точки максимальной мощности (MPPT — Maximum Power Point Tracking). Эти устройства регулируют зарядный ток в зависимости от уровня освещенности и обеспечивают оптимальные условия для аккумуляторов.

Если в системе присутствуют устройства, работающие от переменного тока, необходимо установить инвертор. Инвертор преобразует постоянный ток, вырабатываемый солнечными панелями, в переменный, подходящий для питания стандартных бытовых приборов.

История появления солнечных панелей

Рассмотрим историю развития этой технологии. Фотогальванический (или фотовольтаический) эффект был впервые обнаружен в 1839 году 19-летним студентом Александром Эдмоном Беккерелем, который проводил эксперименты в лаборатории своего отца. Он покрывал платиновые электроды хлоридом серебра, помещал их в электролитический раствор и подключал гальванометр. Когда один из электродов попадал под солнечное освещение, стрелка прибора отклонялась, что стало первым доказательством преобразования света в электрический ток. Это явление позднее стало известно как «эффект Беккереля».

В 1866 году инженер Уиллоуби Смит, работая над подводными телеграфными кабелями, использовал селеновые стержни — материал с высоким удельным сопротивлением — для тестирования их качества. В ходе экспериментов он случайно обнаружил, что под воздействием света сопротивление селена значительно снижается. Это открытие стало важным шагом в развитии фотовольтаической технологии.

Проведя дополнительные эксперименты с различными длинами и сечениями селеновых стержней, помещенных в стеклянные трубки, он подтвердил правильность эффекта. В 1873 году он опубликовал свои наблюдения в краткой статье в журнале Nature , а более подробный отчет представил Обществу телеграфных инженеров .

Изучив работы Смита, Чарльз Фриттс решил продолжить исследования с селеном. В 1883 году он изготовил селеновые пластины для увеличения площади контакта с солнечным светом и покрыл их тонким слоем золота, проводящего материала, устойчивого к окислению на воздухе. Это создало фоточувствительную поверхность.

Соединив несколько таких элементов и установив их на крыше, Фриттс обнаружил, что они генерируют электрический ток. Несмотря на низкий КПД системы (около 1% или меньше), это изобретение стало значительным шагом вперёд.

Несколько лет спустя, в 1888 году, изобретатель Эдвард Уэстон получил два патента на солнечные элементы — Патент США 389 124 и Патент США 389 425 . В этих патентах Уэстон предложил использовать солнечную лучистую энергию для производства электричества или механической энергии.

Идеи Фриттса и Уэстона продолжил развивать изобретатель Джордж Коув , который построил действующий прототип установки на крыше своей лаборатории, основал компанию Sun Electric Generator Corporation и привлек инвестиций на сумму 5 миллионов долларов. Идея дешевой солнечной энергии казалась революционной. В 1909 году Коув запатентовал несколько новых технологий, включая термоэлектрическую батарею.

Однако далее произошел неожиданный поворот: 19 октября 1909 года изобретатель Коув был похищен. Условием его освобождения стало отказ от патента на солнечную энергию и закрытие компании. Причины этого события и личность организаторов остаются неизвестными. После своего освобождения Коув неожиданно прекратил все работы в этой области и свернул деятельность.

К тому времени, в 1888 году, российский ученый Александр Столетов изучил и подробно описал явление фотоэффекта, которое является частным случаем фотогальванического эффекта. В 1905 году Альберт Эйнштейн теоретически обосновал фотоэффект, опираясь на учение Макса Планка о квантовой природе света.

Дальнейшее развитие технологии произошло в 1940 году, когда инженер Bell Labs Рассел Шумейкер Ол начал изучать использование кремниевых выпрямителей для радарных систем. В процессе экспериментов он вводил различные вещества в состав компонентов и исследовал их электрические свойства.

23 февраля того же года он протестировал маленькую кремниевую пластину, которая продемонстрировала неожиданные и интересные результаты. Под воздействием яркого света электрический ток, проходящий через пластину, значительно увеличивался. Ол и его коллега Джек Скафф заметили четкую границу, на которой происходило это изменение, — на стыке кремния с различными примесями. Хотя теоретического объяснения этого явления в тот момент не существовало, в 1941 году Ол подал заявку на патент и получил его в 1946 году .

Следует отметить, что независимо от работы Рассела Ола, открытие P-N перехода в оксиде меди (II) также совершил ученый Вадим Лашкарёв в 1941 году. Результаты своих исследований он опубликовал в статьях «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди».

Однако на тот момент работы Ола и Лашкарёва не получили должного признания и известности.

В начале 1950-х годов Bell Labs продолжала исследования в области кремниевых полупроводников и фотогальванического эффекта. В этих работах принимали участие такие ученые, как Кэлвин Саутер Фуллер, Дэрил Чапин и Джеральд Пирсон. Они обнаружили, что легирование кремния бором значительно улучшает его характеристики, позволяя достигать до 6% преобразования световой энергии в электрическую мощность.

25 апреля 1954 года на пресс-конференции Национальной Академии наук США ученые представили результаты своих исследований, продемонстрировав, что кремниевые фотоэлементы эффективно работают при различных уровнях освещенности.

На следующий день после презентации газета The New York Times сообщила:

Открытие ученых из Bell Labs знаменует начало новой эры. Теперь человечеству доступна безграничная энергия Солнца!

В то же время в СССР также проводились исследования в области фотогальванического эффекта. В Физико-техническом институте Иоффе под руководством Ж.И. Алферова и В.М. Тучкевича была достигнута эффективность кремниевых солнечных элементов до 8%. Одновременно велись работы над фотоэлементами на основе арсенида галлия.

В 1958 году солнечные панели впервые были использованы в космосе. 17 марта США запустили спутник «Авангард», а 15 мая СССР вывел на орбиту спутник «Спутник-3». Мощность, генерируемая солнечными панелями, не превышала 1 Вт, что было достаточно для питания лишь радиопередатчика. Однако с развитием технологий солнечные панели стали стандартом для космических объектов, поскольку свет не теряет своей интенсивности при прохождении через атмосферу Земли.

В 1959 году японская компания Sharp начала производство солнечных кремниевых панелей. В 1963 году она установила на японском маяке фотоэлектрическую батарею мощностью 242 Вт, что было самым мощным фотоэлементом в мире на тот момент. Спустя год Sharp поставила для NASA батарею мощностью 470 Вт для спутника Nimbus. В 1970-х годах, благодаря внедрению новых методов производства, стоимость солнечных панелей снизилась на 80%, что сделало их более доступными для широкого использования. Это позволило применять солнечные панели в самых различных сферах: на крышах автомобилей, домов и в наручных часах.

В ответ на нефтяное эмбарго, введенное арабскими странами после войны Судного дня, и резкий рост цен на нефть, правительства стран стали активно инвестировать в альтернативные источники энергии, включая солнечные панели.

В 1977 году в США был основан Институт исследований солнечной энергии в Голдене, штат Колорадо. Сегодня он известен как NREL (National Renewable Energy Laboratory) и продолжает свою деятельность.

В 1980-х и 1990-х годах стоимость кремниевых фотоэлементов, составляющих более 90% рынка, продолжала снижаться, и к концу 1990-х годов она составила менее 6 долларов за ватт. Эффективность солнечных модулей также значительно возросла, достигая 20-22%. Появились более мощные аккумуляторы и улучшенные контроллеры заряда и инверторы, что сделало солнечную энергию доступнее.

В это время также появились новые технологии, например, ячейки Гретцеля, основанные на мезопористых оксидных полупроводниках с широкой запрещенной зоной.

В 1994 году Япония запустила программу «70 000 солнечных крыш», а в 1999 году Германия представила свою программу «100 000 солнечных крыш». Во многих странах Азии, Европы и США были введены налоговые льготы для стимулирования перехода на солнечную энергетику.

В США с 2005 года действует налоговая льгота в размере 30%, предусмотренная законом PL 109-58. Китай, начиная с 2011 года, инвестировал более 50 миллиардов долларов в развитие производства солнечных панелей, что значительно превосходит вложения Европейских стран.

Сегодня солнечная энергетика является доступной и хорошо изученной технологией, о которой известно многим. Многие уже используют ее в повседневной жизни. В среднем, КПД солнечных панелей колеблется от 15% до 22%, а в некоторых случаях может быть выше, как было указано ранее в статье.

Перспективы солнечной энергетики

Солнечная энергия является одним из самых быстроразвивающихся источников энергии: ежегодно добавляется более 400–500 ГВт мощности. Только в Китае на конец 2023 года производилось 426 ГВт солнечной энергии, что отражает значительный рост. Это связано не только с существенным снижением себестоимости солнечных панелей, но и с растущей обеспокоенностью государства экологической ситуацией. В Китае существует ряд экологических проблем, в том числе из-за угольных электростанций .

Тем не менее, доля солнечной энергии в общем объеме производства электроэнергии пока остаётся низкой — всего около 4,5% . Это связано с рядом ограничений, свойственных альтернативной энергетике.

Причина 1: Нестабильность

Один из главных недостатков солнечной энергетики — переменная выработка энергии. При облачности или в ночное время мощность генерации существенно снижается, а ночью процесс выработки полностью прекращается. Это приводит к колебаниям стоимости энергии и необходимости установки аккумуляторных систем, которые, в свою очередь, значительно увеличивают стоимость всей установки.

Возникает также проблема неравномерного распределения нагрузки даже в пределах одного региона. Это затрудняет накопление больших объёмов энергии и усложняет регулирование энергобаланса. Все эти факторы оказывают влияние на стабильность энергоснабжения и увеличивают затраты на эксплуатацию солнечных панелей.

Причина 2: Низкая эффективность

Даже при заявленной эффективности солнечных панелей в 20–22% этого недостаточно для удовлетворения потребностей в массовом масштабе. Проблема заключается в соотношении площади установки и мощности, которую она генерирует. Например, в игре Factorio одна солнечная панель может генерировать до 42 кВт в день, в то время как мощность одного энергоблока АЭС составляет порядка 40 МВт. Для достижения аналогичной мощности потребуется около тысячи солнечных панелей и сотни аккумуляторов, а площадь установки будет в десятки и даже сотни раз больше, чем у атомной станции, не считая затрат на добычу, транспортировку и переработку топлива.

В связи с этим, солнечные панели подходят для автономного питания отдельных домов, производственных объектов или для уменьшения зависимости от централизованных сетей. Однако использование солнечных панелей для замены крупных электростанций в масштабе страны пока невозможно.

Причина 3: Хрупкость

Несмотря на защитные покрытия, солнечные панели остаются уязвимыми к механическим повреждениям. Например, удары крупного града или экстремальные погодные условия могут снизить их эффективность. Хотя производители часто предоставляют гарантию на срок до 25 лет, это не исключает рисков, связанных с повреждениями.

Причина 4: Влияние на климат

Массовое строительство солнечных ферм перестало быть исключением. Например, в ОАЭ реализуется проект четвёртой очереди Солнечного парка Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума, который займет площадь 44 квадратных километра. Миллионы панелей смогут производить тысячи мегаватт электроэнергии, что обеспечит энергией около 320 000 домов.

Однако такие проекты могут повлиять на локальный климат. Солнечные панели поглощают свет, в отличие от песка и камней в пустынных районах, которые его отражают. Это может привести к повышению температуры в районе установки, что в свою очередь способно повлиять на климатические условия.

Причина 5: Проблемы с переработкой

Массовое производство солнечных панелей вызывает проблему их утилизации. Через 20–30 лет миллионы панелей выйдут из строя. Многие из них содержат токсичные вещества, такие как кадмий, свинец и фторсодержащие соединения, что требует разработки эффективных методов переработки. Без соответствующих решений экология может пострадать. Точно так же, как и в случае с аккумуляторами, эта проблема вызывает обоснованные опасения.

Однако главной движущей силой для развития солнечной энергетики является экономическая составляющая. С каждым годом технологии становятся дешевле, что ускоряет их внедрение и делает доступными для частных лиц, предприятий и целых городов.