Почему солнечные панели захватывают мир и как они работают

Солнечная энергия имеет решающее значение для нашего будущего. На микроуровне в Америке и по всему миру процветает солнечная индустрия. С тех пор как Конгресс получил налоговый кредит в 2006 году, Ассоциация производителей солнечной энергии (SEIA) утверждает, что в среднем за последние десять лет ежегодный прирост отрасли составлял 50 процентов.

Но солнечная энергия имеет цель не только зарабатывать деньги - она должна спасти планету. Нет никакого плана, чтобы предотвратить искусственное глобальное потепление от постоянного искажения климата Земли без солнечных батарей и энергии, которую они могут преобразовать. «Роль решений в области возобновляемых источников энергии в смягчении последствий изменения климата доказана», - говорится в Программе развития Организации Объединенных Наций.

Некоторые в отрасли думают, что к 2050 году солнечная энергетика вырастет на 6500 процентов, чтобы смягчить эту потребность. Но при всей их важности солнечные панели все еще немного непривычны для нас. Устрашающие черные прямоугольники не выглядят как наш спаситель. Величественные водопады и плотины выглядят героически, а солнечные панели - нет. Итак,как же они работают?

Краткая история

Работа в области солнечной энергии началась в 1839 году, когда молодой французский физик по имени Эдмон Беккерель открыл то, что сейчас известно, как фотоэлектрический эффект. Беккерель работал в семейном бизнесе - его отец, Антуан Беккерель, был известным французским ученым, который все больше интересовался электричеством. Эдмонда интересовало, как работает свет, и когда ему было всего 19 лет он обнаружил, что электричество можно производить с помощью солнечного света.

Шли годы, и технология делала небольшие, но устойчивые шаги вперед. В 1940-х годах такие ученые, как Мария Телкес, экспериментировали с использованием сульфатов натрия для накопления солнечной энергии для создания “Солнечного дома”. Исследуя полупроводники, инженер Рассел ШумейкерОхс осмотрел образец трещины кремния и заметил, что он проводит электричество, несмотря на трещину.

Но самый большой скачок произошел 25 апреля 1954 года, когда химик Келвин Фуллер, физик Джеральд Пирсон и инженер Дэрил Чапин показали, что они построили первый практичный кремниевый солнечный элемент. Как и Окс, трио работало в Bell Labs и взяло на себя задачу создания такого баланса раньше. Чапин пытался создать источники питания для удаленных телефонов в пустынях, если бы обычные батареи разрядились.

Пирсон и Фуллер работали над контролем свойств полупроводников, которые впоследствии будут использоваться для питания компьютеров. Зная о работе друг друга, ученые решили сотрудничать. Эти самые ранние солнечные элементы были «в основном собранными вручную устройствами», говорит Роберт Марголис, старший энергетический аналитик Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL).

Как работают кремниевые солнечные батареи?

Чтобы понять, как кремниевые солнечные панели вырабатывают электричество, нужно сжаться до атомного уровня. Кремний имеет атомный номер 14, что означает, что в его центре 14 протонов и 14 электронов, окружающих этот центр. Используя классические изображения атомных кругов, вокруг центра движутся три круга. Внутренний круг заполнен двумя электронами, а средний круг восемью.

Тем не менее, самый внешний круг, который содержит четыре электрона, наполовину полон. Это означает, что он всегда будет стремиться заполнить себя с помощью соседних атомов. Когда они соединяются, они образуют то, что называется кристаллической структурой. Когда все эти электроны тянутся друг к другу и соединяются, электрический ток не может перемещаться. Вот почему кремний, содержащийся в солнечных панелях, является нечистым, смешанным с другим элементом, таким как фосфор.

Внешний круг фосфора имеет пять электронов. Этот пятый электрон становится тем, что именуется, как «свободный носитель», способный переносить электрический ток без особых усилий. Ученые увеличивают количество свободных носителей, добавляя примеси в процессе, называемом легированием. Результатом является то, что известно, как кремний N-типа. Кремний N-типа - это то, что находится на поверхности солнечной панели. Внизу находится его зеркало напротив - кремний P-типа.

В то время как кремний N-типа имеет один дополнительный электрон, P-тип использует примеси из таких элементов, как галлий или бор, которые имеют на один электрон меньше. Это создает еще один дисбаланс, и когда солнечный свет попадает в P-тип, электроны начинают двигаться, чтобы заполнить пустоты друг в друге. Балансирующий акт, который повторяется снова и снова, генерируя электричество.

Из чего создают солнечную панель?

Солнечные элементы сделаны из кремниевых пластин. Они сделаны из элемента кремния, одновременно твердого и хрупкого кристаллического вещества, которое является вторым по распространенности элементом после кислорода. Если вы на пляже и видите блестящие черные пятна на песке, это кремний. Как обнаружил Ох, он естественным образом превращает солнечный свет в электричество. Как и другие кристаллы, кремний можно выращивать.

Ученые, как и сотрудники Bell Labs, выращивают кремний в трубке в виде единого однородного кристалла, разворачивая трубку и разрезая полученный лист на так называемые пластины. «Представьте круглую ручку», - говорит Викрам Аггарвал, основатель и генеральный директор Energy Sage, рынка сравнительных товаров для солнечных батарей. Эта палочка нарезана как «пепперони, рулет из салями, нарезанный тонкими ломтиками для бутербродов - они режут их очень тонко», - говорит он.

Вот где могут появится трудности–либо лист будет слишком толстым, и, следовательно, бесполезным, либо слишком тонким, что делало склонными к потрескиванию». Они стараются сделать эти пластины максимально тонкими, чтобы получить как можно большую ценность от используемого для производства кристалла. Этот тип солнечного элемента сделан из монокристаллического кремния. В то время как первые солнечные элементы похожи на сегодняшние элементы с точки зрения внешнего вида, существует ряд различий.

Вернувшись в Bell Labs, первые надежды заключались в том, что солнечные элементы будут полезны для грядущей космической гонки, говорит Марголис, поэтому была назначена большая премия за снижение веса. Фотоэлементы, как они с тех пор назывались, были помещены в легкий инкапсулят. И это сработало. Спустя всего четыре года после разработки первого работающего солнечного элемента, 17 марта 1958 года, военно-морская исследовательская лаборатория построила и запустила первый в мире спутник, работающий на солнечной энергии.

Что представляют из себя солнечные панели сегодня

В настоящее время фотогальванические элементы производятся серийно и режутся лазерами с большей точностью, чем мог себе представить любой ученый из Bell Labs. Хотя они и используются в космосе, они гораздо более полезны на Земле. Поэтому вместо того, чтобы делать упор на вес, производители солнечных батарей теперь делают упор на прочность и долговечность. Прощай, легкая капсула, привет стекло, которое может противостоять погоде.

Одним из основных направлений деятельности любого производителя солнечных батарей является эффективность - сколько солнечного света, падающего на каждый квадратный метр солнечной панели, может быть преобразовано в электричество. «Основная математическая проблема» лежит в центре всего солнечного производства, говорит Аггарвал. Здесь эффективность означает, сколько солнечного света может быть надлежащим образом преобразовано через кремний P и N-типа.

«Допустим, у вас есть 100 квадратных футов на крыше», - говорит он гипотетически. «В этом ограниченном пространстве, если эффективность панелей составляет 10 процентов, это менее 20 процентов. Эффективность означает, сколько электронов они могут произвести на квадратный дюйм кремниевых пластин. Чем они эффективнее, тем большую экономию они могут обеспечить».

Марголис говорит, что около десяти лет назад эффективность использования солнечной энергии колебалась на уровне около 13 процентов. В 2019 году солнечная эффективность возросла до 20 процентов. Конечно, рост достаточно значителен, но есть определенные проблемы. Из-за природы кремния как элемента, солнечные панели имеют предел в 29 процентов. Так как же идти дальше?

Будущее солнечных панелей

Некоторые ученые работают над использованием новых материалов. Есть минерал, известный как перовскит, который Аггарвал описывает как «очень захватывающий». Впервые обнаруженный на Урале на западе России, перовскит очень активно развивался - с 10-процентной эффективности в 2012 году до 20 процентов в 2014 году. Его можно сделать искусственно из обычных промышленных металлов, что облегчает его поиск, и он использует более простой процесс, чем балансирующий танец кремния P и N типа для проведения электричества.

Но и Аггарвал, и Марголис предупреждают, что эта технология все еще находится на самой ранней стадии. «Эффективность в лаборатории быстро росла, но есть разница между лабораторией и реальным миром», - говорит Марголис. Хотя перовскит показал большой прогресс в чистых средах, он показал быстрое снижение при введении таких элементов, как вода, с которыми он может столкнуться при ежедневном использовании.

Вместо новых материалов Марголис и его команда работают над концепцией, которую он называет «солнечный плюс». По мере того, как увеличивается использование солнечной энергии, появляется потенциал для улучшения того, как «Солнце взаимодействует с другими зданиями в целом», говорит он. Итак, представьте, что в городе ужасно жаркое лето. Вы идете в офис на работу, а затем возвращаетесь домой ночью.

Здесь жарко и влажно, поэтому вы включаете кондиционер, как и все остальные люди в городе. Нагрузка на электрическую сеть растет. Но Марголис воображает, что возможно было бы сохранить и использовать солнечную энергию, чтобы уменьшить напряжение. «За два часа до того, как вы вернетесь домой, когда солнце еще светит, кондиционер может предварительно включиться и заранее охладить ваш дом». То же самое относится и к холодной зиме.

«Вы можете перегреть воду в жаркий день, и все равно использовать эту горячую воду для мытья посуды или принять душ на следующее утро. Мы только начинаем думать о том, как интегрировать солнечную энергию в нашу систему»

Несмотря на борьбу с солнечным господством, такую как конкуренция со стороны природного газа и политический климат в пользу ископаемого топлива, Марголис настроена оптимистично. «Мы находимся в этой точке, когда коммунальные службы и инженеры понимают, что солнечная энергия становится достаточно доступной, чтобы мы могли с ней справиться. Это не может не радовать».