Кто и когда создал первые солнечные батареи?
Точкой отсчета развития гелио энергетики принято считать середину 20 века. Однако вопрос «кто и когда изобрел солнечные батареи» не имеет однозначного ответа. К созданию элементов, способных преобразовывать излучение в электрический ток, приложили руку многие великие ученые прошлого. А современному многообразию сотен разновидностей солнечных панелей мы обязаны командам физиков и инженеров всего мира.
- 1839: Явление фотогальванического эффекта
Александр Беккерель, изучавший влияние света на электролиты, в 1839 совершенно случайно обнаружил, что под воздействием излучения в растворе возникает электрическое напряжение. Французский физик в третьем поколении не был тем, кто придумал солнечные панели. Но именно этот эффект, впоследствии названный фотовольтаическим, положил начало будущей гелио индустрии.
- 1873: Обнаружена фотопроводимость селена
Только спустя 44 года британский инженер Уиллоби Смит смог пройти путь от жидкого электролита до твердого селена. Кусочек этого материала стал первой фотоэлектрической ячейкой, которая при поглощении излучения становилась электропроводящей. На протяжении следующих трех лет эксперименты над селеном проводили физики Уилл Адамс и Рич Дэй. В 1876 они окончательно поняли, что солнечная энергия может собираться, преобразовываться и сохранятся. Правда, пока это была только теория.
Александр Беккерель, Александр Столетов, Альберт Эйнштейн
- 1883: Первый в мире работающий фотоэлемент
По-настоящему первым из тех, кто открыл для мира солнечные батареи, стал нью-йоркский изобретатель Чарльз Фритц. Его «настольная» электростанция работала от крохотной позолоченной селеновой пластики, и обладала КПД 1,5%.
- 1887: Объяснение природы фотоэлектрического эффекта
Далее над удивительным свойством фотонов передавать свою энергию электронам работали многие известные физики. Генриху Герцу даже удалось обнаружить, что максимальной генерации можно добиться не от видимого, а от ультрафиолетового излучения. Но только великий Альберт Эйнштейн сумел объяснить саму природу фотоэлектрического эффекта. За что позднее был справедливо удостоен Нобелевской премии.
- 1953: Открытие полупроводниковых возможностей кремния
Более полувека после работ Эйнштейна ученым и изобретателям не удавалось повысить эффективность экспериментальных гелио установок. Причиной тому были полупроводниковые ограничения селена и необходимость использовать в элементах золото. Только в 1953 коллективу лаборатории Белла удалось найти другой, более дешевый, практичный и широко распространенный материал. Этим материалом стал кремний, и первая же система на его основе показала КПД 6%.
- 1956: Старт коммерческого изготовления панелей
Первыми, кто создал солнечные панели современного образца и вывел их на коммерческий рынок, стала компания Western Electric. Несмотря на все еще высокую стоимость оборудования, покупатели находились. Наиболее известная приобретенная солнечная электростанция тех времен – набор гелио панелей, установленных на крыше Белого дома по указанию президента Кеннеди.
- 1958: Фотоэлектрические элементы в космосе
Отдельную благодарность следует вынести тем, кто придумал и построил солнечные батареи для космических аппаратов. Никаким другим путем стабильно получать электроэнергию для оборудования за пределами земли на тот момент было невозможно. И сейчас не существует ни одного стационарного спутника, космической станции или корабля, которые не использовали бы фотоэлектрические преобразователи.
- 1971 — 1979: Создание экономически выгодных панелей
Следующий толчок работе над созданием более эффективных гелио панелей принесло резкое повышение цен на нефть в 70-х годах прошлого века. Удивительно, но «спасибо» за финансирование таких разработок следует сказать крупнейшей нефтяной компании мира Exxon Corporation. Именно она оказалась той, кто открыл солнечные батареи нового поколения для потребителей, за счет падения цен за ватт мощности до $30. Вдесятеро дешевле, чем обошлась фотовольтаика для Белого дома всего десятилетием ранее.
- 1981: Кто создатель первой солнечной электростанции башенного типа?
Следующее десятилетие стало временем появления крупных гелио станций башенного типа. Термодинамическая электростанция Solar Two в пустыне Мохава (США) начала работу в 1981, постепенно увеличивая количество зеркал до 1999 года.
Годом позже тем же концерном Arco Solar был построен калифорнийский солнечный парк, способный генерировать более 1 МВт энергии в час.
В 1983 компания запустила гигантскую ферму из сотни тысяч солнечных батарей общей мощностью 5,2 МВт.
- 1994: Первые солнечные батареи с КПД 30%
Американская Национальная лаборатория возобновляемой энергии стала той, кто впервые придумал солнечные батареи на редкоземельных элементах вместо кремния. Сейчас они известны как CIGS, или комбинация фосфидов и арсенидов германия, индия и галлия. КПД первых же образцов составил 30%. Современные экспериментальные ячейки приближаются к показателю 45%.
- 1995: Кто и когда изобрел интегрированные солнечные панели?
Имя этого человека – Томас Фалуджи. Патент на гелио батареи, интегрированные в специальные выдвигающиеся навесы, был подан в 1995. Сегодня интеграцией фотовольтаики в любые конструкции и предметы никого не удивишь. Она присутствует в черепице для домов Илона Маска, автомобильных трейлерах, китайских копеечных фонарях и даже одежде.
- 2015: Фотоэлектрические пленки, напечатанные на принтере
Первые промышленные образцы были представлены в 2015 году. И сегодня все, кто создает солнечные батареи ближайшего будущего, ориентируются на тонкопленочные технологии. Панели третьего поколения не толще бумаги, печатаются на 3D-принтерах и уже сейчас достигают эффективности более 20%. Они дешевы, экологически безопасны, универсальны, могут быстро изготавливаться целыми рулонами, и со временем могут полностью заменить тяжелые и дорогостоящие кремниевые модули.
Источник
Эволюция солнечной батареи: прошлое, настоящее, будущее
Люди веками используют энергию солнца, применяя различные гениальные методы, начиная от концентрирования зеркал и заканчивая стеклянными тепловыми ловушками.
Основу современной технологии солнечных батарей заложил Александр Беккерель в 1839 году, когда он наблюдал фотоэлектрический эффект в определенных материалах. Материалы, демонстрирующие фотоэлектрический эффект, при воздействии света излучают электроны, тем самым преобразуя световую энергию в электрическую. В 1883 году Чарльз Фритт разработал фотоэлемент, покрыв селен очень тонким слоем золота. Этот солнечный элемент, основанный на золото-селеновом переходе, был эффективен на 1%. Александр Столетов создал фотоэлемент на основе внешнего фотоэлектрического эффекта в 1988 году.
Как развивалась солнечная энергетика?
- Элементы первого поколения
- Второе поколение ячеек
- Ячейки третьего поколения
Работа Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте в 1904 году расширила горизонты исследований солнечных элементов, и в 1954 году в лабораториях Белла был создан первый современный фотогальванический элемент. Они достигли эффективности в 4%, которая до сих пор не была экономически эффективной, так как существовала гораздо более дешевая альтернатива — уголь. Однако эта технология оказалась рентабельной и вполне пригодной для питания космических полетов. В 1959 году электронике Хоффмана удалось создать солнечные фотоэлементы с КПД 10%.
Технология солнечных батарей постепенно стала более эффективной, и к 1970-м годам наземное использование солнечных батарей стало возможным. В последующие годы стоимость модулей солнечных батарей значительно снизилась, и их использование стало более распространенным. В дальнейшем, на заре эпохи транзисторов и последующих полупроводниковых технологий произошел значительный скачок в эффективности солнечных батарей.
Элементы первого поколения
Обычные ячейки на основе пластин попадают в категорию первого поколения. Эти ячейки, основанные на кристаллическом кремнии, доминируют на коммерческом рынке. Структура ячеек может быть моно- или поликристаллической. Монокристаллический солнечный элемент построен из кристаллов кремния по Чохральскому процессу. Кристаллы кремния вырезаются из крупных слитков. Разработка монокристаллов требует точной обработки, так как фаза «рекристаллизации» ячейки довольно дорогая и сложная. Эффективность этих ячеек составляет около 20%. Поликристаллические кремниевые солнечные элементы, как правило, состоят из ряда различных кристаллов, сгруппированных в одной ячейке в процессе производства. Поликристаллические кремниевые элементы являются более экономичными и, следовательно, наиболее популярными на сегодняшний день.
Второе поколение ячеек
Солнечные батареи второго поколения устанавливаются в зданиях и автономных системах. Электроэнергетические компании также склоняются к этой технологии в солнечных батареях. Эти элементы используют тонкопленочную технологию и значительно экономичнее, чем пластинчатые элементы первого поколения. Светопоглощающие слои кремниевых пластин имеют толщину около 350 мкм, а толщина тонкопленочных ячеек — около 1 мкм. Существуют три распространенных типа солнечных элементов второго поколения:
- аморфный кремний (a-Si)
- теллурид кадмия (CdTe)
- селенид меди-индия-галлия (CIGS)
Аморфные кремниевые тонкопленочные солнечные элементы присутствуют на рынке уже более 20 лет, и a-Si, вероятно, является наиболее хорошо развитой технологией тонкопленочных солнечных элементов. Низкая температура обработки при производстве аморфных (a-Si) солнечных элементов позволяет использовать различные недорогие полимеры и другие гибкие подложки. Эти подложки требуют меньших затрат энергии на переработку. Слово «аморфные» используется для описания этих ячеек, так как они плохо структурированы, в отличие от кристаллических пластин. Они изготавливаются путем нанесения покрытия с содержанием легированного кремния на обратную сторону подложки.
CdTe представляет собой соединение полупроводника с прямой ленточной зазорной кристаллической структурой. Это отлично подходит для поглощения света и, таким образом, значительно повышает эффективность. Эта технология дешевле и имеет наименьший углеродный след, самое низкое потребление воды и более короткий период восстановления всех солнечных технологий на основе жизненного цикла. Несмотря на то, что кадмий является токсичным веществом, его использование компенсируется вторичной переработкой материала. Тем не менее, озабоченность по этому поводу все еще существует, и поэтому широкое применение этой технологии ограничено.
Ячейки CIGS изготавливаются путем осаждения тонкого слоя меди, индия, галлия и селенида на пластиковую или стеклянную основу. Электроды устанавливаются с обеих сторон для сбора тока. Благодаря высокому коэффициенту поглощения и, как следствие, сильному поглощению солнечного света, материал требует гораздо более тонкой пленки, чем другие полупроводниковые материалы. Ячейки CIGS отличаются высокой экономичностью и высокой эффективностью.
Ячейки третьего поколения
Третье поколение солнечных батарей включает в себя новейшие развивающиеся технологии, направленные на превышение предела Shockley-Queisser (SQ). Это максимальная теоретическая эффективность (от 31% до 41%), которую может достичь солнечный элемент с одним p-n-переходом. В настоящее время к наиболее популярным, современным развивающимся технологиям солнечных батарей относятся:
- Солнечные элементы с квантовыми точками
- Солнечные батареи, сенсибилизированные красителем
- Солнечные батареи на основе полимеров
- Солнечный элемент на основе перовскита
Солнечные элементы с квантовыми точками (QD) состоят из нанокристаллов полупроводника на основе переходного металла. Нанокристаллы смешиваются в растворе и затем наносится на кремниевую подложку.
Как правило, фотон будет возбуждать электрон там, создавая единую пару электронных дырок в обычных сложных полупроводниковых солнечных элементах. Однако, если фотон попадает в QD определенного полупроводникового материала, может быть произведено несколько пар (обычно две или три) электронных дырок.
Солнечные элементы, сенсибилизированные красителями (DSSC), были впервые разработаны в 1990-х годах и имеют многообещающее будущее. Они работают по принципу искусственного фотосинтеза и состоят из молекул красителя между электродами. Эти элементы экономически выгодны и имеют преимущество легкой переработки. Они прозрачны и сохраняют стабильность и твердое состояние в широком диапазоне температур. Эффективность этих ячеек достигает 13%.
Полимерные солнечные элементы считаются «гибкими», так как используемая подложка является полимером или пластиком. Они состоят из тонких функциональных слоев, последовательно соединенных между собой и покрытых полимерной пленкой или лентой. Обычно он работает как комбинация донора (полимера) и ресивера (фуллерена). Существуют различные типы материалов для поглощения солнечного света, в том числе органические материалы, такие как конъюгат-полимер. Особые свойства полимерных солнечных элементов открыли новый путь для разработки гибких солнечных устройств, в том числе текстильных и тканевых.
Солнечные элементы на основе перовскита являются относительно новой разработкой и основаны на соединениях перовскита (комбинация двух катионов и галогенида). Эти солнечные элементы основаны на новейших технологиях и имеют эффективность около 31%. Они обладают потенциалом для значительной революции в автомобильной промышленности, но все еще существуют проблемы со стабильностью этих элементов.
Очевидно, что технология солнечных батарей прошла долгий путь от кремниевых элементов на основе пластин до новейших «развивающихся» технологий солнечных батарей. Эти достижения, несомненно, сыграют важную роль в сокращении «углеродного следа» и, наконец, в достижении мечты об устойчивом энергоресурсе. Технология нано-кристаллов на основе QD обладает теоретическим потенциалом превращения более 60% всего солнечного спектра в электричество. Кроме того, гибкие солнечные элементы на полимерной основе открыли целый спектр возможностей. Основные проблемы, связанные с возникающими технологиями, — это нестабильность и деградация с течением времени. Тем не менее, текущие исследования показывают многообещающие перспективы, и широкомасштабная коммерциализация этих новейших модулей солнечных батарей может быть не за горами. опубликовано econet.ru по материалам electronics360.globalspec.com
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Источник