От фотонов до электронов: принцип работы солнечных панелей

Согласно данным Международного агентства по возобновляемой энергии, в 2022 году возобновляемые источники энергии, включая солнечную, ветровую и гидроэнергию, произвели 29% всей электроэнергии во всем мире. Но как солнечные батареи производят электричество из света? Могут ли они действительно стать полноценной заменой ископаемого топлива? В этой статье мы рассмотрим, как работает солнечная энергия, а также что она может и не может делать.

Как солнечные панели генерируют электричество?

Ученые подсчитали, что поверхность Земли получает около киловатта солнечной энергии на квадратный метр в оптимальных условиях, что означает «на экваторе, в солнечный полдень». Лучшие солнечные панели могут выжать почти половину этой световой энергии в виде электричества.

Это происходит следующим образом: солнечный фотон попадает в фотоактивный слой солнечной панели, который "выбивает" электрон с дальней стороны панели. Это возможно, потому что солнечные панели используют полупроводники для преобразования света в электричество.

Кремний, как и углерод, имеет наполовину заполненную внешнюю валентную оболочку. В монокристаллических солнечных панелях используются слои кремния, легированные различными типами атомов, такими как бор и фосфор, которые имеют противоположные заряды (например, +1/-1). Легирование таким образом преобразует обычную кристаллическую решетку кремния в полупроводники n-типа и p-типа. Полупроводники N-типа имеют подвижные электроны; полупроводники р-типа имеют подвижные «дырки». Это превращает всю систему в электрический турникет, заставляя электроны двигаться только в одном направлении.

Механизм, с помощью которого фотоэлектрическая панель преобразует свет в электричество.

Когда солнечный свет падает на самый внешний слой, атомы поглощают достаточно энергии, чтобы преодолеть «зазор между полосами». Затем чтобы вернуться в стабильную конфигурацию, система теряет энергию в виде электрона. Слой n-типа уже имеет «лишние» электроны, поэтому он не склонен забирать их обратно. Вместо этого дополнительный заряд пропускается через электрод.

В результате получается электричество в виде постоянного тока. Чтобы быть полезным для приборов переменного тока, постоянный ток должен пройти через инвертор.

Существует несколько основных типов солнечных батарей. Пожалуй, наиболее известны солнечные батареи, изготовленные из кремния в аллотропных формах - от аморфного кремния до жесткой кристаллической решетки. Но существуют также солнечные элементы на красителях, тонкопленочные солнечные элементы и солнечные панели, изготовленные из другого типа кристаллов, называемых перовскитами. Эти технологии используют полупроводниковые материалы для производства фотоэлектрической энергии - электричества, получаемого непосредственно из солнечного света.

Кристаллический кремний

Большинство автономных солнечных панелей, в том числе классические солнечные батареи мощностью 200 Вт, изготовлены из кристаллического кремния. Такие скромные устройства, как солнечный фонарь для дорожек и калькуляторы на солнечных батареях, также часто используют кристаллические кремниевые солнечные элементы. Этот тип солнечных элементов может генерировать солнечную энергию с эффективностью 15-20%, что означает, что он выдает 15-20% энергии, получаемой от солнца.

В солнечных крышах Tesla используются кристаллические кремниевые элементы.

Кристаллический кремний часто выбирают в качестве материала для солнечных батарей из-за его долговечности. Окна космических кораблей были сделаны из чистого плавленого кристаллического кремния. Аналогичным образом, панели из кристаллического кремния могут выдерживать домашних животных и атмосферные воздействия, чем некоторые тонкопленочные солнечные элементы.

В более новых бытовых солнечных технологиях, таких как солнечные панели и солнечные крыши Tesla, солнечная черепица Timberline от GAF, черепица и плитка CertainTeed Apollo II и солнечная черепица Luma Solar, используется кристаллический кремний. Некоторые производители покрывают свои панели слоем закаленного стекла, чтобы предотвратить повреждение от града.

Тонкопленочные солнечные элементы

Тонкопленочные солнечные элементы - это то, что получается, когда вместо жесткой кристаллической пластины, пропитанной легирующими добавками, вы наносите молекулы фотоактивного полупроводника на кусочек кристалла или ленту гибкого полимера.

Во многих тонкопленочных элементах используется аморфный кремний, который может поглощать энергию ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света. Другие используют поликристаллический кремний, нанесенный в виде тонкой пленки на стекло, что позволяет уменьшить отражение и лучше удерживать свет.

Ученые из Национальной лаборатории Сандия разработали крошечные фотоэлектрические элементы размером с блеск, толщина которых составляет всего 14-20 микрометров (человеческий волос имеет толщину около 70 микрометров), но при этом они работают примерно с той же эффективностью, что и солнечные устройства, в которых используется в 100 раз больше кремния.

В тонкопленочных элементах используется меньше материала, чем в монокристаллических панелях, поэтому они могут оказывать меньшее воздействие на окружающую среду в течение жизненного цикла. Некоторые тонкопленочные системы могут достигать эффективности 47% за счет использования нескольких типов фотореактивных материалов, что немного похоже на то, как растения используют разные фотопигменты для улавливания света с разной длиной волны. Однако, как и у перовскитов, в первые месяцы их полезного использования их электрическая мощность снижается.

Что такое перовскит?

Перовскиты – минералы особой кристаллической структуры. Если в кристаллических кремниевых элементах используются ионы легирующей примеси для облегчения переноса электронов между слоями положительного и отрицательного заряда, то в кристаллической решетке перовскитов чередуются анионы и катионы. Это означает, что они могут служить в качестве твердотельных солнечных элементов.

Солнечные элементы на основе перовскита в последнее время вызвали некоторый ажиотаж, потому что они дешевы и просты в производстве. Этот тип ячейки может быть полезен во встроенных системах с внешним питанием. Существует множество различных химических соединений перовскита, многие из которых описаны здесь:

Эффективность многих типов солнечных элементов

Перовскиты и другие интересные типы солнечных элементов показаны красным цветом.

По сравнению с солнечными элементами из монокристаллического кремния некоторые элементы из перовскита могут генерировать больше электроэнергии из того же количества солнечной энергии. Однако перовскиты менее прочны; поскольку их химический состав нестабилен, они испытывают характерный спад производства энергии в течение первых нескольких лет эксплуатации. В наиболее популярных перовскитах также часто используется свинец, а как известно - добыча и переработка свинца представляют свою опасность. Олово также используют, но у него меньшая эффективность.

Фотореактивные пигменты: «искусственный фотосинтез»

Еще одна интересная технология использования солнечной энергии - это солнечные элементы, сенсибилизированные красителем. В этих гибких ячейках в качестве верхнего слоя используется фотореактивный краситель, смешанный с полупроводниковыми наночастицами. Обычно эта смесь плавает на жидком электролите, который одновременно действует как слой р-типа на кристаллической ячейке и собственный электрод.

Подобно перовскитам, эти гибкие клетки проводят свои реакции по всему объему, а не по плоскости. Это побудило некоторых экспертов назвать красящие клетки «искусственным фотосинтезом». Но перовскиты - это кристаллы, и тот же жидкий электролит, который делает солнечные элементы с красителями такими гибкими, делает их уязвимыми к химической деградации и перепадам температур.

Развитие солнечной энергетики

В настоящее время существует два основных способа использования солнечной энергии для выработки электроэнергии в масштабах, подходящих для использования в качестве коммунального предприятия. Вы, вероятно, видели стандартную солнечную ферму. Эти объекты обеспечивают энергию путем установки рядов солнечных панелей на земле, обычно не пригодной для других целей - хотя в последнее время ученые исследуют способы использования затененной земли под панелями для различных целей, например, для хранения энергии в виде батарей. Одно интересное предложение включает в себя выращивание низкорослых тенелюбивых растений, таких как кофе и какао.

Солнечные панели в обычном поле с цветами.

Проще говоря, солнечная энергия работает только тогда, когда есть солнечный свет. Это означает, что банки питания и диверсифицированное производство энергии являются довольно важными частями производства солнечной энергии в коммунальном масштабе: очень важно хранить любую дополнительную энергию, чтобы использовать, когда не светит солнце. Tesla, в дополнение к своим солнечным панелям и солнечным черепицам, предлагает резервную батарею под названием Megapack. Массивы из десятков или сотен таких аккумуляторов уже работают, что облегчает использование солнечной энергии и других возобновляемых источников энергии.

Еще один способ увеличить масштабы использования солнечной энергии — это концентрирующие солнечные электростанции, такие как Ivanpah в Калифорнии. Вместо производства энергии за счет фотоэлектрического эффекта в этих системах используются зеркала или линзы для концентрации солнечной энергии в (относительно) сфокусированный луч, направленный на центральную сборную башню. Там солнечная энергия приводит в действие тепловую машину или паровую турбину, которая преобразует тепло в электричество.

Концентрирующая солнечная тепловая электростанция в городе Цзицюань, Китай.

Сейчас многие страны наращивают производство солнечных панелей и как бы мы не относились к США из-за геополитической ситуации, у них этот процесс идет быстрее всего. Известно, что с июня 2021 года по июнь 2022 года в Соединенных Штатах было введено в эксплуатацию 17,6 ГВт новых солнечных мощностей коммунального масштаба. Таким образом, общее количество солнечных мощностей в США составило около 66 ГВт. В прошлом году между электростанциями и распределенными солнечными установками солнечная энергия обеспечивала 12% электроэнергии Америки. Хотя это всего лишь небольшая часть от общего объема производства электроэнергии в этой стране, но они ежегодно добавляют новые мощности. По мере того, как возобновляемые источники энергии заменяют старые невозобновляемые электростанции, солнечная энергетика обязательно найдет свое место на солнце.