Как работают ячейки
Земля пересекает огромное количество солнечной энергии — 173 000 тераватт. Это в 10 000 раз больше мощности, чем использует население планеты. Возможно ли, что однажды мир полностью перейдёт на солнечную энергию? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала нужно понять, как солнечные панели превращают солнечную энергию в электричество.
Солнечные панели состоят из маленьких элементов, называемых солнечными ячейками. Наиболее распространённые ячейки изготовлены из кремния — полупроводника, второго по распространённости элемента на Земле. В солнечной ячейке кристаллический кремний расположен между проводящими слоями.
Каждый атом кремния связан с соседями четырьмя прочными связями, которые удерживают электроны на месте, препятствуя току. Вот ключ: в солнечном кремнии используются два различных слоя. Кремний n-типа имеет лишние электроны, а кремний p-типа — лишние «дырки» для электронов. В месте их соединения, в p–n переходе, электроны могут переходить через границу, оставляя положительный заряд с одной стороны и создавая отрицательный с другой. Свет можно представить как поток маленьких частиц — фотонов, исходящих от Солнца.
Когда фотон попадает в кремниевую ячейку с достаточной энергией, он выбивает электрон из связи, оставляя дырку. Отрицательно заряженный электрон и расположение положительной дырки теперь могут свободно перемещаться. Но из‑за электрического поля в p–n переходе они могут двигаться только в одном направлении: электрон — к n‑слою, дырка — к p‑слою. Подвижные электроны собираются тонкими металлическими «пальцами» на поверхности ячейки. Затем они проходят через внешний контур, выполняют электрическую работу, например, зажигают лампу, и возвращаются по проводящему алюминиевому слою сзади. Одна кремниевая ячейка даёт лишь около половины вольта, но их можно объединять в модули, чтобы получить больше мощности.
12 фотогальванических ячеек достаточно, чтобы зарядить телефон, а множество модулей — чтобы обеспечить электричеством дом. Электроны — единственные движущиеся части в солнечной ячейке, и в конце они возвращаются на свои места. Ничего не разрушается и не теряется, поэтому солнечные ячейки могут служить десятилетиями.
Ограничения и эффективность
Что мешает полностью перейти на солнечную энергию? Есть политические и экономические факторы, в том числе лоббизм в пользу существующего порядка. Рассмотрим физические и логистические проблемы. Самое очевидное — солнечная энергия распределена по планете неравномерно: некоторые регионы получают больше солнечного света, другие — меньше. Кроме того, солнечная энергия нестабильна: её меньше в пасмурные дни и ночью. Поэтому полный переход требует эффективных способов передавать электричество от солнечных зон к тёмным регионам и надёжного хранения энергии.
Коэффициент полезного действия ячеек тоже ограничен. Если солнечный свет отражается вместо поглощения или если возбуждённые электроны рекомбинируют, не пройдя через внешний контур, энергия фотонов теряется. Самая эффективная на сегодня солнечная ячейка преобразует около 46% доступной солнечной энергии в электричество, а большинство коммерческих систем работают с эффективностью 15–20%.
Инфраструктура и будущее
Несмотря на эти ограничения, существующие солнечные технологии уже потенциально способны поддержать весь мир — потребуется финансирование для создания инфраструктуры и достаточная площадь. Оценки площади варьируются от десятков до сотен тысяч квадратных километров, что кажется большой величиной, но Сахара сама по себе занимает более 3 миллионов квадратных километров. По мере улучшения и удешевления солнечных ячеек, их конкуренции с сетевой электроэнергией и появления инноваций, таких как плавучие солнечные парковки, ситуация может кардинально измениться.
Важно помнить, что более миллиарда людей до сих пор не имеют доступа к надёжной электрической сети, особенно в развивающихся странах, многие из которых располагаются в солнечных регионах. В таких местах солнечная энергия уже часто оказывается дешевле и безопаснее альтернатив вроде керосина. Для стран с меньшей инсоляцией, например Финляндии или Сиэтла, эффективный переход на солнечную энергетику может оказаться более сложным, но технически возможным при развитой инфраструктуре и накоплении энергии.