Середина XX столетия — это тот период, когда было положено начало развитию гелиоэнергетики. Но на вопрос «кто является автором изобретения солнечных панелей?» невозможно ответить однозначно. По той простой причине, что над разработкой этого проекта трудился не один человек, а ряд именитых учёных. И хотя история солнечных батарей охватывает, множество промежуточных открытий и связанных с ними имён, мы постараемся кратко раскрыть все её этапы.
Содержание
Как использовали солнечный свет в древности
Наши далёкие предки не понаслышке знакомы с тем, что сегодня мы называем пассивной энергетикой. Например, в Древнем Китае проектировали дома таким образом, чтобы в зимний период улавливалось максимальное количество солнечных лучей и помещения прогревались как можно лучше. Позже такой принцип начал распространяться на целые города: улицы строились с востока на запад для эффективного улавливания солнечного света зимой.
Есть основания предполагать, что ещё в VII веке до н.э. люди использовали увеличительное стекло для того, чтобы разжигать огонь.
В III веке до н.э. греки и римляне зажигали факелы во время религиозных церемоний, концентрируя солнечный свет с помощью зеркал. Тут же стоит упомянуть и достижения этих народов в области солнечной архитектуры: проекты домов разрабатывались так, чтобы максимально использовать энергию солнца. В частности уделялось внимание обогреву помещений с ванными, например, с помощью эффекта лупы нагревалась вода.
Некоторые источники описывают так называемые «Зеркала Архимеда». Во время осады Сиракуз великий учёный использовал систему зеркал, чтобы собрать концентрированный пучок солнечного света, который сжёг вражеские корабли. Экспериментаторы ставят под сомнение этот факт, и возможно экипаж кораблей просто был ослеплён.
Открытие фотогальванического эффекта
Этот базовый принцип в 1839 году был обнаружен французским физиком Александром Беккерелем. Он проводил опыты с электролитами и зафиксировал следующее:
- Две пластины из платины погружены в раствор электролита.
- Между ними находится светонепроницаемая перегородка.
- Если на одну из пластин направить свет, то величина тока в цепи незначительно усиливается.
Хотя Беккерель не является непосредственным изобретателем солнечных батарей, именно с открытия фотоэффекта началась история солнечных батарей.
Фотопроводимость селена
После открытия Беккереля, учёным потребовалось более сорока лет, чтобы найти твёрдый заменитель жидкому электролиту.
В 1873 году английский инженер Уильям Смит выявил способность селена при поглощении солнечного света изменять сопротивление, что улучшало его проводимость.
В 1876 году Уильям Адамс и Рихард Дей поняли, что селен способен сам выделять вырабатывать электричество, если окажется под воздействием мощного источника света. Хоть КПД было незначительным, зато стало понятно, что твёрдые материалы также пригодны для выработки электричества.
В 1883 году американскому изобретателю Чарльзу Фритцу удалось собрать первый фотоэлектрический модуль с эффективностью 1,5%. В качестве фотоэлемента для своей крохотной электростанции он использовал селеновые пластины, покрытые золотом. Однако на тот момент подобные исследования и изобретения не вызывали особого интереса и серьёзного отношения.
Именно Фритцу некоторые историки приписывают изобретение солнечных элементов.
Теория фотоэффекта Эйнштейна
Свой неоценимый вклад в эту область физики внёс и величайший из умов науки Альберт Эйнштейн. Он полностью смог объяснить саму суть процесса перехода энергии фотонов к электронам. В 1921 году за этот труд Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия. После этого физик Генрих Герц обнаружил, что при использовании УФ излучения достигается более высокий КПД, чем при использовании видимого спектра солнечного света.
Фотопроводимость кремния
В течение последующих нескольких десятков лет учёные безуспешно пытались добиться более эффективной работы солнечных установок. Препятствовало продвижению вперёд два фактора: необходимость использовать золото и природные физические ограничения селеновых пластин.
В 1940 году специалисты американской лаборатории Белла в ходе опытов обнаружили, что если направить свет на кремниевые образцы, находящиеся в электрической цепи, то измерительные приборы фиксируют изменения тока и напряжения. В дальнейшем этот эффект целенаправленно изучался и в 1950 году Уильям Шокли разработал теоретическую модель p-n перехода, за что был удостоен Нобелевской премии. Это модель и стала базой для дальнейших разработок.
Наконец в 1953 году три сотрудника американской лаборатории Белла сделали заявление об удачном применении в качестве фотоэлементов пластин из кремния. Имена этих учёных:
- Кэлвин С. Фуллер.
- Джеральд Л. Пирсон.
- Дэрил М. Чапин.
Вначале показатель эффективности экспериментальной гелиоустановки составлял 4%, но спустя год поднялся до 6%.
Солнечные элементы в том виде, в котором мы их знаем сегодня, сделаны из кремния, а не селена, поэтому именно эту группу учёных можно считать изобретателями солнечных панелей, хотя и с оговорками. К тому же это был первый пример солнечной технологии, которая могла приводить в действие электрическое устройство в течение нескольких часов в день.
Увеличение эффективности
В период с 1957 по 1960 год компания Hoffman Electronics совершила ряд прорывов в области фотоэлектрической эффективности, улучшив уровень КПД с 8% до 14%.
Следующее крупное достижение было в 1985 году, когда Университет Южного Уэльса достиг 20% эффективности кремниевых элементов.
В 1999 году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии в сотрудничестве с SpectroLab Inc. создала солнечный элемент с КПД 33,3%.
Университет Южного Уэльса снова побил этот рекорд в 2016 году, когда исследователи достигли эффективности 34,5%.
Применение технологии в космических разработках
Изобретение кремниевых элементов выпало на период начала космической гонки, и разработчики космических аппаратов в скором времени начали осваивать эту технологию
В 1958 году на американский спутник «Авангард I» установили крошечную одноваттную панель для питания радиоприемников. Их примеру последовали и советские специалисты: космический аппарат «Спутник 3» также был оснащён системой солнечных панелей.
В космосе фотоячейки показывали хорошие результаты, и уже в 1966 году НАСА запустило первую в мире орбитальную астрономическую обсерваторию, работающую от однокиловаттного массива.
Массовое использование
В дальнейшем гелиоэнергетика пережила ещё множество преобразований. Показатель эффективности постоянно рос, а стоимость фотоэлементов снижалась, что делало технологию доступной для большего числа заинтересованных. И на данный момент практически во всех отраслях человеческой деятельности солнечные панели находят своё применение.
Всё больше стран берут курс на использование альтернативной энергетики взамен традиционной, а использование домашних солнечных электростанций поддерживается законодательно. Так, в России действует «Зелёный тариф», позволяющий продавать избыток электроэнергии от солнечных панелей.
Итоговая черта
Люди издревле использовали солнечную энергию для улучшения комфорта. История солнечных батарей берёт начало с Александра Беккереля, который смог выявить фотогальванический эффект. Первый фотоэлемент из селена разработал Чарльз Фритц в 1883 году, а первые кремниевые ячейки создали учёные лаборатории Белла.
