Солнечные панели быстро становятся обычным явлением в домах, но когда-то они были не более чем редкой диковинкой. Как мы прошли путь от использования солнечной энергии на спутниках до того, как она стала самым доступным источником электричества? Есть ли что-то в ее исторической траектории, что может подсказать, куда двигаться дальше?
Чтобы разобраться в этих сочных вопросах, мы побеседовали с человеком, написавшим книгу об истории солнечной энергии, Джоном Перлином. История, которую он нам поведал, имела несколько неожиданных поворотов.
Это модальное окно.
Начало диалогового окна. Escape отменяет и закрывает окно.
Конец диалогового окна.
Как вообще работают солнечные батареи?
Давайте начнем с основ фотовольтаики. Поверьте, это полезный контекст для объяснения того, как технология развивалась с течением времени.
В основе электричества лежит поток электронов. Некоторым молекулам не хватает электронов по сравнению с их стабильным состоянием. У других молекул слишком много электронов. При достаточном количестве энергии электроны могут спрыгивать с молекулы, в которой их слишком много, на другую, в которой их слишком мало. Это движение электронов может превратиться в электрический ток.
В солнечных батареях это происходит благодаря тому, что одна кремниевая пластина со слишком большим количеством электронов (называемая N-типом, поскольку электроны несут отрицательный заряд) накладывается на другую со слишком малым количеством (называемую P-типом, поскольку она заряжена положительно). Когда солнечный свет попадает на слой N-типа, панель может поглотить достаточно энергии, чтобы сместить избыток электронов. Сначала эти электроны направляются прямо к слою P-типа, чтобы заполнить все имеющиеся дыры, но эти пробелы довольно быстро заполняются. В результате в месте соединения двух слоев остается обедненная область. Близлежащие электронные дыры заполнены, и электроны не могут легко пройти через них.
К счастью, существует альтернативный путь. Так уж получилось, что этот путь обеспечит энергией все наши вещи. Тонкие проводящие полоски нанесены вдоль верхней части слоя N-типа, чтобы направить электроны по этому пути.
Вырвавшись из верхнего слоя кремния, электрон проходит через инвертор, который превращает постоянный ток в переменный, пригодный для использования повседневными устройствами. Затем электрон запускается во все, что нуждается в электричестве.
После того как электрон выполнил свою работу, цепь завершается, когда он возвращается в нижний слой кремния. За пределами области обеднения слой P-типа по-прежнему имеет слишком мало электронов и готов к приему на другом конце. Все может закончиться тем, что электроны наконец-то найдут свой дом, но слой N-типа солнечной панели достаточно тонок, чтобы свет мог проникнуть в P-тип, выбить там электроны и вернуть их на верхний уровень, чтобы пройти весь процесс снова.
Если вы хотите разобраться во всех тонкостях, мы предлагаем вам более подробную статью о том, как работают солнечные батареи.
Неудачное начало
Первая зарегистрированная фотоэлектрическая солнечная панель была установлена в Нью-Йорке в 1884 году Чарльзом Фриттсом. Она была построена на основе работы французского физика Эдмона Беккереля, который всего за несколько лет до этого создал первую отдельную солнечную батарею. Панель Фриттса не отличалась высокой эффективностью: она улавливала всего 1 % солнечной энергии в виде электричества.
Другой изобретатель, Джордж Коув, пошел другим путем. Вместо того чтобы использовать солнечный свет, его машина использовала солнечное тепло для генерации электрического тока. В то время эта концепция была не нова, но теория до сих пор используется в термоэлектрических генераторах. Похоже, что Коув возглавил лабораторию Фриттса, но это было недолго. Работа Коува была омрачена противоречиями.
После того как в его компанию по производству солнечной энергии были вложены значительные средства извне, Коува похитили американские капиталисты с целью заставить его прекратить свою работу. Возможно, это было связано с утверждениями о том, что его солнечные панели на самом деле просто черпали энергию из электросети, а не вырабатывали ее самостоятельно, что представляло собой мошенничество. Другие считают, что на самом деле Коува вовсе не похищали, а просто хотели привлечь внимание общественности. В равной степени это могло быть делом рук нервных конкурентов, чей бизнес зависел от энергии ископаемого топлива.
Как бы там ни было, к 1911 году подъем угля и нефти похоронил перспективы первых солнечных батарей на десятилетия вперед.
Эйнштейн меняет все
Классический Эйнштейн, перевернувший все, что мы знали. До того, как он появился, вальяжно расхаживая по комнате, и его жилистые локоны развевались на ветру, было принято считать, что свет действует как волна. Например, свет, исходящий от двух разных источников, не отражается друг от друга, как это было бы в случае, если бы свет был частицей. Свет от любого источника просто проходит сквозь друг друга, как волна.
Эйнштейн, однако, смог доказать, что свет действует и как частица, и как волна. Он сделал это, наблюдая за реакцией металла на свет определенной длины волны. Короче говоря, он продемонстрировал, что некоторые виды света обладают достаточными свойствами частиц, чтобы сбить электроны из металлов с места.
Последствия для солнечных батарей были огромны. Эйнштейн показал, что более короткие длины волн несут большую энергию. Однако более короткая длина волны не проникает так глубоко в материал. Это означало, что солнечные панели должны располагать более активные элементы (например, в местах соединения слоя P-типа и слоя N-типа) ближе к поверхности, чтобы частицы света, фотоны, могли выбивать электроны на этом стыке. Потенциал повышения эффективности возродил интерес к солнечным технологиям.
Кремний получает модернизацию
Перспективы солнечных батарей вновь проявились в мире телекоммуникаций. В 1950-х годах перед Bell Labs была поставлена задача найти альтернативу сухим батареям, которые постоянно выходили из строя в тропическом климате и влияли на работу местной телефонной связи. Ведущий исследователь Дэрил Чапин начал изучать возможности использования солнечной энергии в качестве решения.
Слово "легирование" имеет не совсем положительный оттенок, но это было важное достижение в технологии солнечных батарей. На тот момент полупроводники для солнечных батарей были весьма ограничены. Использовался элемент селен, но он все еще не был достаточно эффективным для практического применения. После некоторых экспериментов Bell Labs обнаружила, что введение примесей в кремний значительно улучшает его характеристики как полупроводника.
Было обнаружено, что добавление (или легирование) верхнего слоя кремния фосфором добавляет в смесь гораздо больше электронов. Аналогичным образом, добавление бора в нижний слой увеличивало количество заполненных электронами дырок. Такое различие в зарядах увеличивало поток электронов между двумя слоями, где они встречались. При КПД 6% солнечные панели были наконец готовы к реальному использованию.
Космическая гонка
Ну, может быть, немного за пределами этого мира. В этот момент Советы и американцы были заперты в космической гонке. Спутники были запущены, но их срок службы ограничивался неделями из-за батарей, с которыми они запускались. Правительство США стремилось финансировать решения, которые позволили бы им выйти вперед в холодной войне. Бывший нацист Ганс Циглер приехал в США под эгидой операции Paperclip. Paperclip - это секретная американская программа, направленная на привлечение немецких ученых к сотрудничеству после Второй мировой войны в обход внутренних запретов на иммиграцию нацистов.
"Ирония всей этой истории заключается в том, что солнечные батареи считаются чем-то хипповым. На самом деле его продвигал военно-промышленный комплекс Америки". - Джон Перлин
Циглер стремился внедрить солнечные батареи в спутники. Несмотря на внутренний скептицизм, первые испытания, проведенные Зиглером на спутнике Vanguard 1, были одобрены и запущены в 1958 году. Несмотря на то, что полет спутника был рассчитан на 90 дней, благодаря солнечным батареям он смог поддерживать связь с Землей более шести лет. Спутник Vanguard 1 находится на орбите и по сей день. Солнечная энергия была доказана, и она быстро стала стандартом для всех запусков спутников в будущем.
Большая нефть делает ставку на солнечную энергию
Компания Exxon имеет репутацию заклятого врага климатического движения, поэтому было очень удивительно, когда Перлин сказал нам, что Exxon развернула первое коммерческое производство наземных солнечных панелей.
У Exxon было множество буровых установок в открытом море и других удаленных объектов, которые нуждались в электроэнергии. Многие из них полагались на первичные батареи, которые были довольно дорогими и не подлежали перезарядке. Иногда батареи выбрасывали в океан, когда они разряжались. В один прекрасный момент кучу этих электронных отходов выбросило на берег Хьюстона, что, понятно, вызвало гнев некоторых людей.
После этих разногласий Exxon занялась поиском альтернатив. Исследователь Эллиот Берман широко пропагандировал солнечную энергию, и после совместной работы с Exxon над изучением этой возможности его выбрали руководителем дочерней компании Exxon, полностью принадлежащей компании Solar Power Corporation. Здесь Берман разработал отличный способ снижения затрат. Большинство кремния производилось путем переплавки кварца (песка) в большой слиток, а затем из него вырезались пластины. Этот процесс создавал монокристаллическую атомную структуру, которая была эффективна при производстве солнечной энергии, но был и другой вариант.
Берман хотел извлечь выгоду из солнечных панелей, которые не были использованы для космических полетов. Он смог воспользоваться этими запасами и получить поликристаллический кремний, соединив кремниевые обрезки. Он также смог использовать кремний из более широкой электронной промышленности. Получившийся поликристалл был не так эффективен, как монокристаллические солнечные панели, из-за мешанины в росте кристаллов, но его производство было примерно в пять раз дешевле.
После успешного использования солнечных батарей в космосе и снижения затрат благодаря работе Бермана компания Exxon начала опробовать солнечные панели на своих платформах. Как оказалось, солнечные батареи отлично работают. Не прошло много времени, как другие отрасли заметили это и начали использовать солнечные батареи для других удаленных операций.
Энергетическая независимость Америки
Роль нефти в развитии солнечной энергетики еще не закончилась. Глобальное сокращение поставок нефти ОПЕК в 1973 году заставило США искать способы уменьшить зависимость от нестабильного ближневосточного рынка. В то время как компания Exxon активно работала над диверсификацией на случай, если ей не удастся остаться в нефтяном бизнесе, солнечная энергетика стояла ниже в списке приоритетов правительства.
Джимми Картер, которого все прессуют за то, что он установил солнечный водонагреватель на крыше Белого дома, все же был инженером-ядерщиком. Хотя он пропагандировал солнечную энергию наряду с энергосбережением как средство достижения энергетической независимости, его политика в значительной степени благоприятствовала ядерной энергетике и углю. Картер даже отклонил просьбы военных внедрить солнечную энергию для своих нужд в удаленных операциях. Bell Labs столкнулась с подобными трудностями в 50-х годах, когда программа Эйзенхауэра "Атом для мира" пропагандировала ядерную энергию как путь в будущее.
В итоге Америка обнаружила большие внутренние запасы нефти и имела значительный избыток до 80-х годов.
Китай вмешивается
До этого момента Америка была эпицентром развития солнечных батарей. В конце концов, американцы были пионерами ранних исследований, вывели технологию в космос и добивались энергетической независимости. Но все должно было измениться.
Австралийские провайдеры телекоммуникационных услуг были вынуждены на законодательном уровне предоставлять услуги в сельских районах, и они столкнулись с теми же проблемами, что и Bell Labs. На огромных пространствах Австралии чертовски жарко, и проводить газ или батареи к ретрансляционным вышкам в глубинке не совсем практично.
Эта проблема послужила толчком к поиску решений, в том числе к разработке пассивного эмиттера и заднего элемента (или PERC) Мартином Грином в Университете Нового Южного Уэльса. Очень важно, что этот элемент уменьшал поглощение тепла солнечными панелями, что позволяло им продолжать работать при высоких температурах. Кроме того, он отражает свет обратно в кремний для повторного поглощения. Это повысило эффективность до 25 %. В настоящее время около 90 % солнечных панелей используют ячейки PERC.
"Трагедия заключается в том, что единственным правительством, которое действительно проявило энтузиазм в отношении солнечной энергетики, было правительство Китая. То, что изначально было американским изобретением - солнечная батарея Белла, - теперь Китай производит 80 или 90 % солнечных материалов в мире". - Джон Перлин
Несмотря на внутреннюю потребность, политический ландшафт не способствовал продвижению технологии Грина. Как и в Америке, в Австралии были заинтересованы в ископаемом топливе, которые активно противостояли фотовольтаике. Соседний Китай не имел таких связей. Там Грин смог привлечь потенциальных студентов.
Один из аспирантов Грина, Ши Чжэньгун, перевез новую технологию PERC в Китай и собрал достаточный капитал, чтобы в 2002 году начать выпуск солнечных батарей под названием Suntech. Помимо удовлетворения потребностей Австралии в электроэнергии для телекоммуникаций, большая часть панелей отправлялась в Германию, чтобы воспользоваться крупными государственными льготами на производство возобновляемых источников энергии.
Многие из инвесторов Suntech пришли благодаря контактам Грина с американскими техническими экспертами. Эти контакты в конечном итоге привели к тому, что Suntech стала первой частной компанией из Китая, разместившей акции на Нью-Йоркской фондовой бирже. Интерес к этой компании вырос до такой степени, что множество других китайских производителей солнечных батарей начали выходить на рынок, чтобы привлечь американские инвестиции. Бешеная конкуренция между ними привела к снижению цен.
Даже с американскими деньгами и поддержкой китайского правительства финансовый кризис 2008 года сделал эти низкие цены непосильными для некоторых игроков. Тем не менее, многие из этих крупных китайских производителей солнечных панелей сумели заблаговременно привлечь американские инвестиции и достаточно быстро перейти к массовому производству, чтобы пережить финансовый кризис и в конечном итоге обеспечить исторически низкие цены на солнечную энергию. Солнечная панель на Vanguard 1 стоила 100 долларов за ватт, а сегодня ее цена составляет менее 3 долларов за ватт.
Что ждет солнечные батареи дальше?
Может показаться, что солнечные батареи появились повсюду только в последние несколько лет, но они шли к этому моменту уже более века. Ранняя теория фотовольтаики проложила путь к открытию Эйнштейном того, что свет действует как волна и частица. Лаборатории Bell Labs воплотили теорию в реальность, благодаря чему солнечные панели были отправлены в космос, что, в свою очередь, доказало компании Exxon, что она (а затем и другие отрасли) может использовать солнечную энергию для удаленных операций. В то время как Америка все больше склонялась к ископаемому топливу, Китай оказался благодатной почвой для инвесторов и исследователей, которые начали масштабное производство солнечных панелей и снизили цены.
Теперь солнечные установки по всей территории США растут беспрецедентными темпами. Перлин с оптимизмом смотрит на следующие этапы. В то время как в утопических представлениях солнечные панели могут быть на каждой крыше, Перлин считает, что наибольший прогресс произойдет на солнечных электростанциях коммерческого масштаба. И хотя, возможно, мы не каждый день будем смотреть вверх и видеть кремний, есть все шансы, что он будет продолжать питать все больше и больше современной жизни, оставаясь за кадром.
Если вам понравилась эта статья, подпишитесь на нее, чтобы не пропустить новые полезные статьи!
Вы также можете читать меня в:
- Telegram: https://t.me/gergenshin
- Яндекс Дзен: https://dzen.ru/gergen
- Официальный сайт: https://www-genshin.ru
