1839 год, Париж. В лаборатории знаменитого физика Антуана Сезара Беккереля его 19-летний сын, Александр Эдмон, проводит, казалось бы, рядовой эксперимент. Он погружает две платиновые пластины в кислый электролит, а затем освещает одну из них. И тут происходит нечто удивительное: стрелка подключённого гальванометра дрогнула. Прибор зафиксировал электрический ток, рождённый самым обычным светом. Так мир впервые столкнулся с фотовольтаическим (фотогальваническим) эффектом.
Юный Беккерель не остановился на констатации факта. Его пытливый ум искал применение открытию — так появился актинограф, первый в истории прибор для автоматической записи интенсивности солнечного света, прообраз будущих экспонометров.
Но до настоящей революции было ещё далеко. Ни Беккерель, ни его современники даже представить не могли, что их потомки будут питать целые города энергией, «пойманной» из солнечных лучей.
Суть эффекта: солнечный «водопад» электронов
Как же свет, не имеющий массы, заставляет течь электроны? Всё дело в волшебстве полупроводников, чаще всего — кремния.
Представьте атомы кремния, выстроенные в идеальную кристаллическую решётку. Их внешние электроны крепко «держатся за руки» (образуя ковалентные связи). Когда на такую решётку падает фотон (частица света) с достаточной энергией, он выбивает электрон из его «дома», оставляя после себя дырку — положительный заряд.
Но сам по себе этот выбитый электрон — просто беспризорная частица. Магия начинается, когда внутри полупроводника создают p-n переход — микроскопическую границу между двумя областями: с избытком «дырок» (p-тип) и с избытком электронов (n-тип). На этой границе возникает внутреннее электрическое поле.
И вот наш выбитый светом электрон, оказавшись у этого перехода, подхватывается этим полем и летит в сторону контакта n-типа, а «дырка» — в сторону p-типа. Если теперь соединить эти контакты внешней цепью ( к примеру, проводом к лампочке), электроны хлынут по нему, стремясь вернуться к «дыркам», — возникает электрический ток. Солнечный свет совершил работу!
Не только кремний: разнообразие фотовольтаики
С момента открытия Беккереля учёные обнаружили, что фотовольтаический эффект можно получать в самых разных материалах и условиях. Сегодня это целое семейство технологий.
1. Кремниевые солнечные элементы
- монокристаллические - выращенные из единого кристалла, тёмно-синие, почти чёрные. Рекордсмены по эффективности (до 22-26%) и долговечности. Их чаще всего можно увидеть на крышах домов и в солнечных парках.
- поликристаллические - из расплава кремния, с характерной синей зернистой поверхностью. Немного дешевле и менее эффективны (15-18%), но до сих пор широко распространены.
- тонкоплёночные - слой фотоактивного материала в сотни раз тоньше волоса. Гибкие, лёгкие, их можно наносить на стекло, пластик, даже ткань. Правда, эффективность пока ниже (10-12%).
2. Перовскитные элементы
Настоящая сенсация последнего десятилетия. Создаются из гибридных органическо-неорганических материалов с кристаллической структурой, похожей на минерал перовскит. Их КПД взлетел с 3% до более 25% всего за 10 лет! Они дёшевы в производстве, полупрозрачны и могут быть любого цвета. Пока что вопрос их долговечности — главный вызов для учёных.
3. Нанотехнологии: квантовые точки
Это крошечные частицы полупроводника размером в несколько нанометров. Их «суперспособность» в том, что, меняя размер точки, можно заставить её поглощать свет строго определённого цвета. Теоретически это позволяет создать «многослойные» солнечные элементы, которые ловят весь спектр солнечного света, что сулит фантастический КПД.
4. Фотоэлектрохимические элементы
Прямые наследники того самого эксперимента 1839 года! Здесь электричество генерируется на границе между полупроводником и жидкостью (электролитом). Самый известный подвид — сенсибилизированные красителем элементы (ячейки Гретцеля). Они работают по принципу фотосинтеза: органический краситель «впитывает» свет и отдаёт электроны. Пока не очень эффективны, но дёшевы и могут работать даже при рассеянном свете.
Зачем столько видов?
Каждая технология находит свою нишу. Кремний — это «рабочая лошадка» большой энергетики. Гибкие тонкоплёнки и перовскиты — будущее интегрированной фотовольтаики: окна-генераторы, фасады, солнечные панели на электромобилях и даже на одежде. Квантовые точки могут стать основой для высокоэффективных элементов нового поколения.
От любопытства к спасению планеты
От случайного открытия в чашке с электролитом до технологий, которые претендуют на то, чтобы стать основой «зелёной» энергетики будущего, — путь фотовольтаики впечатляет. Сегодня, глядя на солнечную панель, мы видим не просто кусок синего стекла, а овеществлённую историю науки, квинтэссенцию квантовой физики, химии и инженерной мысли.
Это тот редкий случай, когда чисто научное любопытство, озарившее юного Беккереля, спустя почти два века может помочь человечеству решить одну из самых серьёзных проблем — проблему чистой и неиссякаемой энергии.