Идею превращения солнечного света в электричество с помощью фотогальванических элементов сторонники солнечной энергии лелеют не один десяток лет. Вот принцип их действия: солнечные фотоны, попадая на фотогальванический элемент, вытесняют электроны, которые до сих пор двигались по своим орбитам вокруг атомов. А освобожденные электроны, в свою очередь, порождают электрический ток. Всем известны электрические часы и калькуляторы, которые работают на фотогальванических элементах.

Первая солнечная батарея из кремния

Коэффициент полезного действия солнечных батарей вычисляется частицей энергии нашего светила, которую они превратили в электрическую. Специалисты Стенфордского университета в США создали экспериментальную батарею, КПД которой составляет 27 %. Устройство изготовили из кристаллического кремния, а солнечный свет фокусировался на нем  с помощью линзы. И хотя эти элементы оказались довольно эффективными, они уступали другим, более дешевым, сделанным тоже из кремния, только аморфного. Сегодня из этого материала производят около трети фотогальванических элементов, тогда как еще совсем недавно их количество равнялось всего трем процентам от общего.

Преимущества и проблемы аморфного кремния

Такой популярностью аморфный кремний обязан низкой, по сравнению с кристаллической, стоимостью и лучшему поглощению солнечного света. Некристаллические пленки можно сделать толщиной в полмикрона, тогда как толщина кристаллических равна 100 микронам (один микрон, как известно, составляет одну тысячную частицу миллиметра). Аморфный кремний можно нанести на тоненькую пленку из пластика или нержавеющей стали и выпускать его в виде рулонов, похожих на газетную бумагу.

Однако использовать упомянутые преимущества пока что не удается, поскольку остаются нерешенными некоторые проблемы. В частности, аморфный кремний менее эффективен, чем кристаллический. В то же время еще совсем недавно сторонники аморфного кремния были в восторге от КПД всего в пять процентов. Сегодня специалисты довели эту цифру, правда, в лабораторных условиях, до десяти. Компания «Energy convention devise» уже продемонстрировала тонкопленочный фотогальванический элемент с коэффициентом полезного действия 13 процентов, заявив при этом, что знает способ поднять его до 20.

Секрет многослойных фотогальванических элементов

А секрет в том, что одну пленку накладывали на другую, каждая поглощала свет с определенной длиной волны. Благодаря многослойности количество солнечных фотонов, достигающих поверхности элементов, намного возрастает, увеличивается соответственно и количество выбитых электронов. Электроны аморфного кремния сильнее возбуждаются фотонами голубой области спектра, тогда как менее энергичные фотоны проскакивают сквозь элемент и теряются навсегда.

Решили, что один слой будет поглощать голубые фотоны, другие – фотоны с меньшей энергией. Достигают такой дифференциации легированием кремния другими химическими веществами. Так, если фотогальванический элемент будет состоять из трех слоев, то два из них изготавливают, например, из фторованного сплава аморфного кремния, а третий – с примесью германия.

Следующая проблема заключалась в том, что эффективность элементов снижается наполовину под воздействием солнечного света уже через несколько месяцев эксплуатации, хотя потом и стабилизируется. А вот кристаллический кремний в этом плане совершенно стабилен. Постепенно творцы фотогальванических элементов приблизились к решению и этой проблемы, создав многослойные элементы, сохраняющие эффективность даже после двух тысяч часов влияния солнечного света.

Перспективы получения электроэнергии от солнца

Но еще одна проблема. Производство, как ни крути, не успевает за лабораторными результатами: лучший среди освоенных им элементов имеет коэффициент полезного действия не больше восьми процентов. На практике это значит, что, прежде чем удастся получить дешевую электроэнергию с помощью фотогальванических элементов, придется преодолеть немало трудностей.  По мнению энергетиков, КПД промышленных образцов должен равняться 13-17 процентам. Некоторые их производители надеются достичь этого уровня за счет других материалов. Другие уверены, что успех дела – в снижении стоимости кристаллического кремния. Однако результаты последних испытаний свидетельствуют все-таки в пользу аморфного.

rel=”nofollow”
Счетчик тИЦ и PR