Новое поколение солнечных батарей: что изменилось?

Как же все-таки появились солнечные батареи нового поколения? Разберемся по порядку. Уже почти 150 лет прошло с того момента, когда была установлена физическая возможность непосредственного преобразования солнечного света в электрическую энергию на основе p-n-перехода. А в начале прошлого века ученные установили, что от нашего дневного светила постоянно поступает около 1.5 КВт на 1 м2 земной поверхности. Соответственно, в экваториальной зоне – больше, а на полюсах – меньше.

Позже, во второй половине ХХ века президент Украинской АН В. В. Вернадский, анализируя развитие земного разума, предсказал, что человечество в ближайшие 1.5 столетия безальтернативно перейдет на солнечную энергетику, когда:

• ощутит на себе настоящую цену экологии,
• технически решит проблему преобразования «дарованной» световой энергии в дешевую электрическую.

Исследования по вопросу непосредственного преобразования световой энергии в электрическую никогда не прекращались. Но человечество вплотную занялось этим лишь тогда, когда вышло в космос. Первые солнечные батареи, на высокую цену которых внимания не обращали, на искусственных спутниках Земли имели КПД порядка 10%. Но, следует отметить, в вакууме поток фотонов атмосфера не уменьшает.

Проблема дороговизны

Совсем не так давно (5 лет тому назад) себестоимость 1-го КВтч электроэнергии, которая производилась в Америке при помощи солнечных батарей, составляла от 0.25 до 0.8 $. Львиную долю в ней составляли затраты на производство высокотехнологического основного оборудования, которые устанавливались на таких электростанциях. Причина такого состояния вещей крылась в том, что:

1. Полупроводники, используемые в батареях, должны быть практически 100-процентной чистоты и однородности. Разумеется, их производство не может быть дешевым.
2. Светоприемные площади очень чувствительны к уменьшению интенсивности потока фотонов. Мощность полупроводниковых элементов генерирующего устройства мгновенно падал даже от набежавшей на Солнце тучи. Они уменьшали генерацию и нарушали тем самым синхронную работу всей батареи. Поэтому полупроводниковое устройство нельзя было подключать к потребителю электроэнергии без промежуточного звена – аккумуляторов большой емкости, что тоже удорожало основные фонды.
3. КПД солнечных батарей, созданных с использованием кристаллического кремния, не превышал 15%. А при загрязнении светоприемной поверхности он падал еще ниже.
4. Конструкции солнечных батарей на основе кремниевых полупроводников довольно жесткие. Поэтому для установки солнечной генерации требовались ровные, свободные площади, а это тоже стоит денег.

Ныне не существует такого человека на Земле, который бы не понимал того, что запасы органического топлива, в конце концов, исчерпаются, и что атомная энергетика является ему далеко не безопасной для экологии альтернативой. Поэтому во всем мире прилагаются колоссальные усилия, чтобы солнечную генерацию электроэнергии сделать дешевой и конкурентно способной.

Дорогая «солнечная» электроэнергетика сегодня

Первым делом ученые, занятые в исследованиях проблем солнечной энергетики, обратили свои силы на создание полупроводников на основе композитных материалов, чтобы:

• повысить КПД фотоэлементов,
• сделать их конструкции, собранные в батареи, более пластичными,
• сделать фотоэлементы чувствительными к свету инфракрасного спектра солнечного излучения, плотность потока которого на много меньше подвержен колебаниям.

Новые фотоэлементы Semprius

И новые фотоэлементы, которые представил Semprius в 2014 году, выдают КПД около 44%. Эти изделия имеют многослойную внутреннюю структуру, чтобы более полно преобразовывать плотный световой поток, сконцентрированный линзами Френеля, в электроэнергию. Недостатками таких батарей новейшего поколения является то, что:

• управление ими очень усложнено, с которым справляется специальная компьютерная система,
• они эффективно работают в условиях высокой и стабильной освещенности,
• цена фотоэлементов значительно выше классических однослойных кремниевых фотоэлементов.

По другому пути пошла российская фирма «Хевел». Их новые изделия созданы на основе микроморфного кремния. Они значительно дешевле кристаллических полупроводниковых элементов. Хотя они имеют более низкое КПД, зато они выдают стабильное напряжение даже при низкой освещенности, А сборки солнечных батарей с фотоэлементов с микроморфного кремния настолько легкие, что их можно монтировать даже без рам.

Солнечные батареи с применением нанотехнологий

Невшатльский исследовательский центр электроники (Швейцария) разработал новый фотоэлемент с использованием нано технологии нанесения слоев микроскопической толщины на кремниевую основу. Это позволяет увеличить КПД батарей на 15% за счет улавливания невидимых инфракрасных лучей. То есть, даже обыкновенное нагревание кремния фотоэлементов является источником производства электроэнергии. К тому же сами изделия имеют прекрасный эстетичный вид, цвет кровельной черепицы, и довольно конкурентную цену, чтобы служить дополнительным источником тепла в частном доме.

Нью-Йоркская фирма «Lux Capital» усиленно работает несколько в ином направлении. Ее специалисты создали гибкую солнечно-батарейную пленку на основе полимерных композитов. Практичная выгода нового вида сборок фотоэлементов очевидная:

• для их монтажа может быть использована любая поверхность,
• они преобразуют в электричество и видимый свет, и инфракрасный,
• их можно использовать в бытовых условиях.

Пока что КПД таких новых пластиковых солнечных батарей составляет 4 – 6%, но, как утверждают представители фирмы, следующее поколение изделий от «Lux Capital» будет демонстрировать КПД на уровне 30%.

Перспективы развития в ближайшие годы

Общеизвестно, что изделия, которые выходят на рынок, являются результатом работы ученых в предыдущие, иногда – далекие, годы. Но наука ныне быстро развивается. И в лабораториях находятся многие разработки, которые дадут завтра, может быть, такие плоды, что потребители через 10-15 лет забудут, что существовала такая себе тепловая и атомная электроэнергетика.

1. Ныне во всех деталях изучаются во многих лабораториях мира перовскиты (титаниты кальция). Это обширный класс минералов с кристаллической структурой. Только в 2009 году была выявлена их способность преобразовывать свет в электроэнергию. Но уже сегодня КПД солнечных батарей с пирокситовыми фотоэлементами составляет порядка 20%. При этом стоимость производства изделий с титанитов кальция значительно ниже, чем производство их с кремния.

Недостатком пирокситов состоит в том, что они содержат свинец, который при малейшей влажности образует токсичные соли. Поэтому, до тех пор, пока не удастся устранить этот недостаток, пирокситовые батареи на рынок не попадут.

2. Полвека тому назад Жорес Алферов исследовал полупроводниковые структуры. За свою деятельность он получил Нобелевскую премию, но практическое применение его труды начали находить только сегодня.

Оказывается, что можно нанести слой кремния толщиной в 2 микрона на стекло, чтобы изделие превратилось в дешевый фотоэлемент, который способен преобразовывать свет в электричество с более высоким КПД, чем чистый кристаллический кремний.

3. Проводятся активные исследования примесей, при добавлении которых в структуру кремний улучшает свои физическое свойство образовывать p-n-переход с более высокой электрической разностью потенциалов. Исследуются селен, теллуриды, медь, кадмий, галлий, мышьяк и многие другие элементы и минералы. Со специально подобранными примесями кремний может становиться не таким чувствительным к перепадам светового потока.