Солнечные батареи – энергия Солнца в электричество (часть первая)

Любой свет, происходящий от солнца, свечи или электрической лампы, вызывают элементарные частицы – фотоны. Их энергия частично поглощается металлами с выбросом электронов, это явление получило название фотоэлектрический эффект (фотоэффект).

История создания солнечных батарей

Первый фотоэлектрический элемент был создан в 1839 году 19-ти летним французом Эдмоном Беккерелем, впоследствии ставшим известным физиком. Он поместил хлорид серебра в кислый раствор, налитый в стеклянную колбу, ввел в нее электроды из платины и поставил на свет. Эдмон выяснил, что по электродам из колбы поступает слабый ток, но ему не удалось определить точный механизм этого процесса.

В 1873 году английский инженер Смит Уиллоуби описал фотопроводимость селена. Но сам факт существования фотоэффекта в 1887 году окончательно утвердил физик Генрих Герц. Экспериментируя с открытым конденсатором немецкий ученый установил его приемник в черную коробку, чтобы лучше различать появление искры, однако в темноте ее длина оказалась по каким-то причинам меньше. Пытаясь выяснить, что же влияет на длину искры, Герц решил осветить прибор ультрафиолетом и конденсатор стал испускать более длинные искры за меньшее время.

Первую в истории солнечных батарей ячейку, основанную на внешнем фотоэффекте, создал в 1888 году Александр Григорьевич Столетов. Явление фотоэффекта в 1905 году объяснил Альберт Эйнштейн, предположив, что свет может существовать лишь как пучок квантов.

До середины XX века ряд компаний занимались изучением фотоэлементов, пытаясь достичь более высокого КПД, чем у селеновых ячеек – их производительность не превышала 0,5%. В СССР солнечную энергетику исследовали в Физико-техническом институте физики Борис Тимофеевич Коломиец и Юрий Петрович Маслаковец, под руководством академика Абрама Федоровича Иоффе. Созданные ими фотоэлектрические преобразователи показали высокий на тот момент – середина 30-х годов – коэффициент производительности, равный 1%. Несколькими годами позже значительного успеха достигла американская Bell Laboratories – КПД ее кремниевых ячеек составил 6%, правда, в лабораторных условиях.

Развитие рынка солнечных батарей

Разработкой солнечных батарей, предназначенных для выработки электроэнергии из солнечного света, в США занималась компания Hoffman Electronics Corp. В период с 1954 по 1960 годы ее конструкторам удалось поднять производительность гелиопанелей с 2% до 14%. Однако коммерческая успешность новых батарей была сомнительной – стоимость ватта энергии, полученной от солнечных панелей при ярком освещении солнечными лучами, составляла в те годы порядка 250 долларов. Производить электроэнергию при помощи ТЭЦ было гораздо выгоднее – цена «угольного» ватта обходилась не более чем в 2-3$.

Лесу Хоффману, владельцу компании-разработчика фотоэлектрических преобразователей (гелиопанелей), удалось получить армейский космический контракт и оснастить солнечными батареями небольшой площади американский спутник Авангард-1 (запущен в 1958 году), который, на момент написания этой статьи, по-прежнему исправно служит своим создателям на орбите Земли. Эффективность гелиопанелей в энергоснабжении космического аппарата оказалась настолько высока (изначально ставка делалась на аккумуляторные батареи, солнечные батареи считались сомнительным источником энергии), что для спутника Explorer 6 (запущен в 1959 году) Хоффману поручили создать батареи основного питания. Именно так появились знаменитые раскладные панели-крылья, которыми впоследствии оснащалось большинство космических спутников.

За исключением космической индустрии и нескольких производителей дорогих электромеханических игрушек, 50 лет назад солнечные батареи более никого не интересовали, несмотря на снижение стоимости ватта до 100$ в 1971 году, с появлением интегральных микросхем.

Энергетический кризис, произошедший в начале 70-х годов XX века, изменил представление крупнейших игроков мирового рынка энергоносителей об альтернативной энергетике и в частности – о солнечных батареях. Корпорации BP, Shell, Exxon и Mobil направили часть прибыли на разработку гелиопанелей.

Особенный интерес к энергетическим перспективам проявила Exxon. По оценке ее аналитиков динамика роста цен на энергоносители через 30-40 лет станет весьма интересной для солнечной энергетики и гелиопанели принесут ощутимую прибыль. Совет директоров Exxon привлекли к разработкам в этой области Эллиота Бермана, с конца 60-х проводившего исследования, касающиеся солнечной энергетики. Берман создал технологию печатных ячеек, удешевившую цену ватта, вырабатываемого солнечными батареями, со 100$ до 20$ всего за два года – с 1970-го по конец 1972-го.

Долгосрочные прогнозы Exxon в отношении солнечной энергетики оправдались – в начале 2008 года стоимость нефти взмыла до отметки 147$ за баррель (сорт WTI), что во многом объяснялось истощением месторождений. Последовавший экономический кризис снизил цены на баррель нефти до 33$, однако сейчас расценки на фьючерсы WTI составляют чуть более 101$ за баррель.

В начале XXI века американские корпорации, лидирующие на рынке фотоэлектрических преобразователей, массово перенесли свои производства в Китай. Наряду с удешевлением производственных процессов эта мера позволила снизить расценки в 2012 году до 2$ за ватт номинальной мощности.

Солнечные батареи – устройство и принцип работы

Энергия солнечного света преобразуется в электрическую в результате p-n перехода, называемого также электронно-дырочным переходом – тип проводимости переходит с одного на другой. К слову, p-n переход составляет базовую основу полупроводников – если удалить крышку с транзистора и поместить его на солнечный свет, то, с помощью вольтметра, можно обнаружить выработку совсем небольшого электротока. Происходит следующее – фотоны проникают в полупроводниковые пластины, содержащие кристаллы кремния. Каждый из фотонов выбивает по одному электроны с орбиты вокруг атомов, а высвобожденные электроны образуют электрическую энергию.

С момента создания первых образцов солнечных батарей их принцип действия остался неизменным – меняются лишь материалы и конструкция, позволяющие увеличить КПД и коэффициент фотоэлектрического преобразования.
Каркас солнечной батареи выполняется из стали, на нем закреплены панели с фотоэлементами, основу которых составляют монокристаллы кремния (чаще всего), арсенида или галлия (они используются реже). Защиту от природных явлений панелям обеспечивают специальные стекла, полностью изолирующие фотоэлементы от любых осадков. На обратной стороне солнечной панели расположены силовые контакты, предназначенные для подключения к потребляющей электросети.

Фотоэлементы в солнечных панелях

Современные фотоэлементы имеют топоразмеры 103 на 103 мм, 125 на 125 мм и 156 на 156 мм. Естественная форма пластин из кремния – диск, для сборки в панель это неудобно. Поэтому пластинам придается восьмигранный или прямоугольный формат. Однако набрать солнечную панель только из элементов полного размера практически невозможно, частично используются их доли – половина, треть, четверти и 1/6. Толщина кремниевых кристаллов – 180-220 микрометров. На обращенную к солнцу сторону фотоэлементов наносится текстура и специальное антирефлексионное покрытие, что позволяет максимально снизить отражаемость солнечных лучей.

Кремниевые элементы для солнечных панелей образованы двумя полупроводниковыми пластинами. Наружная пластина изготовлена из кремниевого расплава с добавлением специальных примесей, а внутренняя – из кристально чистого кремния, подвергнутого нескольким этапам обработки.

Ввиду небольших габаритов производительность единичного фотоэлемента крайне низка, поэтому их собирают в панели, подключая между собой параллельно или последовательно. При параллельном соединении элементов на выходе достигается более высокое напряжение, при последовательном – высокие значения тока. С целью повышения обоих значений, способы соединения фотоэлементов в масштабах одной солнечной панели комбинируются. Заметим, что совмещение параллельного и последовательного соединений позволяют снизить угрозу полного выхода из строя группы фотоэлементов при отказе одного из них.

К каждой группе фотоэлементов, составляющих ¼ часть солнечной батареи, подключен один диод – т.е. на одну панель идет четыре диода. С их помощью от выхода из строя защищаются те элементы, на которые временно не поступает солнечный свет. Если не производить диодное шунтирование, что неосвещенные фотоэлементы будут потреблять электрический ток, перегреваться и «сгорать». Диоды обеспечивают движение тока в обход затененных групп солнечной панели – как правило, с этой целью применяются низкоомные диоды Шоттки.

Типы фотоэлементов

Основной материал, используемый в их построении – кремний. 80% производимых сегодня фотоэлементов выполняются из монокристаллического и поликристаллического кремния, оставшаяся часть – из аморфного кремния. Отличить кристаллические и аморфные элементы можно по их цветности: первые обычно имеют синий окрас; цвета вторых меняются при изменении угла зрения.

Монокристаллический кремний. Такие фотоэлементы характеризуются высоким КПД – порядка 14%, их срок службы наиболее долог – в среднем 18-20 лет. Поскольку разработка кремниевых монокристаллов была начата еще в середине прошлого века, технология их производства отточена до мелочей.

Монокристалл медленно выращивается из кремниевого расплава, он имеет форму и вид стержня. Затем стержни режутся на диски, толщина каждого от 0,2 до 0,4 мм. Их обтачивают, зачищают и шлифуют, наносят несколько защитных и антирефлексионных покрытий, металлизируют. В результате всех операций получается кремниевый монокристаллический фотоэлемент.

Элементы на монокристаллах обходятся дорого и в этом их главный недостаток. Кроме того, они чувствительны к затенению, вызывающему некоторое снижение мощности.

Поликристаллический кремний. Они образуются при постепенном охлаждении расплава кремния. Ресурс и КПД ниже, чем у монокристаллов – 10 лет и не более 12%. Однако себестоимость поликристаллических фотоэлементов обходится ниже, поскольку требует меньших затрат энергии, также они менее восприимчивы к временному затенению. Причина, по которой характеристики поликристаллического кремния столь низки связана с участками зернистости, разделяющими внутреннюю структуру кристалла.

Аморфный кремний. Фотоэлементы из аморфного кремния создаются путем осаждения кремниевой пленки толщиной не более одного микрометра на подложку с последующей отделкой защитным покрытием. Они эффективны даже при низком освещении, а гибкость обеспечивает им высокую защиту от механических воздействий. Достоинства фотоэлементов из аморфного кремния – низкая стоимость, ввиду минимальных производственных энергозатрат и простой технологии исполнения, допустимость создания элементов значительной площади. Недостатки – КПД не выше 7-8%, срок службы около 10-15 лет. Солнечные панели на базе аморфного кремния обычно используются для обеспечения электропитанием калькуляторов и часов.

Помимо фотоэлементов на основе кремния существуют тонкопленочные их типы, где Si не используется.

CIS (CIGS). Первый подтип – соединение селена, меди и индия, во втором подтипе к ним добавлен галлий. По сравнению с тонкопленочными элементами, базирующимися на аморфном кремнии, их производительность выше и составляет порядка 11%. Фотоэлементы из медно-индиевого и медно-галлиевого диселиндов высокоэффективны при пасмурной погоде, хорошо работают под рассеянным светом солнца. Под солнечными лучами они деградируют медленнее, чем кристаллические элементы, к тому же способны наращивать мощность во время пребывания под солнцем в пассивном режиме (без выработки электроэнергии).

CdTe. Элементы на основе теллурида кадмия имеют КПД около 11-12%. Один из серьезных недостатков – кадмий ядовит. Но, как утверждают разработчики, содержание кадмия в фотоэлементах невелико, поэтому вреда окружающей среде их продукция нанести не может.

Тонкопленочные фотоэлементы относятся ко второму и третьему поколению фотоэлектрических преобразователей, кристаллические элементы, основа которых исключительно кремниевая – к первому. За счет способности преобразовывать в электроэнергию рассеянные и слабоинтенсивные солнечные лучи, панели на тонкопленочных элементах более производительны, если оценивать количество выработанной энергии за календарный год.

В завершении

В следующей части статьи о солнечной энергетике будет рассмотрена, в том числе, ее экономическая составляющая – окупаемость, стоимость гелиопанелей. Также будут исследованы вопросы расчета энергетических потребностей, выбора и эксплуатации солнечных батарей.