Как солнечная батарея превращает свет в электричество, и причем тут Эйнштейн
В кинофильме «Служебный роман» главный герой товарищ Новосельцев вел спокойную предсказуемую жизнь «работа-дом». Но все изменила женщина — Людмила Прокофьевна Калугина. Из-за общения с ней Новосельцев начал делать несвойственные ему вещи: ходить на свидания и продвигаться по карьерной лестнице. Роль Людмилы Прокофьевны для электронов в солнечной батарее выполняют фотоны видимого света. Как энергия света превращается в электрическую, как устроена солнечная батарея и какие перспективы у солнечных электростанций — выясняла «Энергия+».
Строгая начальница Людмила Калугина в фильме казалась надменной и не умеющей взаимодействовать с подчиненными как с живыми людьми. «Наша мымра!» — называли ее в коллективе, пока не разглядели мягкие черты характера.
Составляющие солнечного света, как и грани личности высокого руководства, разглядит не каждый, — Солнце для наших глаз словно сплошное яркое пятно. На деле его лучи состоят из электромагнитных волн, которые разлетаются от звезды во все стороны. Некоторые волны долетают до Земли, где проходят слои атмосферы и, наткнувшись на препятствие, например солнечную батарею, могут повести себя необычно — как частицы (фотоны). Они взаимодействуют с атомами вещества солнечных элементов, почти как шары друг с другом на бильярдном столе — сталкиваются и обмениваются энергией. Так как работает солнечная батарея?
Принцип работы солнечной батареи основан на преобразовании солнечной энергии в электрический ток с использованием фотоэлектрического эффекта. Когда свет падает на солнечную батарею, фотоны передают свою энергию электронам атомов в веществе солнечных элементов. Электроны становятся более «активными» и, как Новосельцев из «Служебного романа», могут выйти из зоны комфорта — покинуть пределы своих атомов, став свободными носителями заряда. Но все ли электроны могут повести себя так, и куда попадут те, у которых получится?
Процесс, в котором электроны взаимодействуют с фотонами, называется фотоэлектрическим эффектом. Уравнение фотоэффекта привел в 1905 году Альберт Эйнштейн. Он объяснил этот процесс, введя понятие квантов, то есть порций энергии. Именно за описание фотоэффекта, а не за знаменитую формулу E = mc2, физик и получил Нобелевскую премию в 1921 году.
Фотоэффект впервые был обнаружен в 1887 году Генрихом Герцем. Ученый исследовал излучение электромагнитных волн, используя специальный разрядник — разрезанный пополам стержень с парой металлических шариков на концах, между которыми при подаче напряжения проскакивала искра. Герц обнаружил, что при облучении отрицательно заряженного шарика ультрафиолетом искра образовывалась при меньшем напряжении. Год спустя русский физик Александр Столетов подробно исследовал явление фотоэффекта и сформулировал его основные закономерности, а уже потом Эйнштейн привел описание фотоэффекта.
Что происходит в солнечной батарее
Для начала рассмотрим строение солнечной батареи. Она состоит из элементов (фотоэлементов), а каждый из них — из двух кремниевых слоев. В одном слое примесь фосфора. На внешней оболочке его атомов пять электронов, а на внешней оболочке атомов кремния четыре. Внешние электроны кремния и фосфора могут попарно «сцепиться» друг с другом и образовать ковалентные связи, но один электрон, пятый, останется без пары и будет молча наблюдать в стороне. Связь электрона-холостяка с ядром ослабеет, и потребуется намного меньше энергии, чтобы вытолкнуть его из родного атома — хватит воздействия фотона солнечного света. Из-за избытка слабо связанных с ядрами электронов кремний с примесью фосфора становится полупроводником n-типа с электронной проводимостью.
Другой кремниевый слой элемента солнечной батареи также содержит примеси, но иного типа. Пример такой примеси — бор, атомы которого имеют по три электрона во внешней оболочке. Один не связанный электрон в данном случае остается у атома кремния, и переживает он свое одиночество более агрессивно, чем электрон примесного фосфора. Электрон-одиночка становится «разлучником». Он разрывает ковалентную связь, образованную соседними электронами двух атомов кремния, забирает у одного из атомов электрон, оставляя в другом пустое место — дырку. Атом с дыркой вместо электрона ведет себя как положительно заряженная частица, заряд которой численно равен заряду электрона. В результате слой кремния с примесью бора становится полупроводником p-типа с дырочной проводимостью.
При контакте двух слоев отрицательно заряженный электрон и положительно заряженные дырки могут свободно перемещаться, отчего их иногда называют свободными носителями заряда. Носители, как и все в природе, мечтают о зарядовом балансе и хотят попасть в слой, где смогут найти пару: электроны стремятся в полупроводник p-типа, а дырки — в полупроводник n-типа. Но пройти границу между слоями непросто, и носители заряда выстраиваются вдоль нее. Из-за этого между разными слоями на p-n-переходе возникает электрическое поле-барьер, и преодолеть его электроны и дырки могут только через внешнюю электрическую цепь — полезную нагрузку (например, лампочку). Такое направленное движение зарядов и есть электрический ток во внешней цепи.
Ток получили. А дальше?
Сама по себе солнечная батарея не включит лампочку и не зарядит телефон, к тому же уровень напряжения зависит от освещенности панелей. Чтобы мощность автономной батареи была максимальной и можно было подключать в сеть нагрузку, используются так называемые контроллеры заряда — они постоянно варьируют ток солнечной батареи (мощность равна произведению тока и напряжения). Если батарея подключена к централизованной сети, используется инвертор, преобразующий постоянный ток солнечной батареи в переменный.
Не каждый фотон «мотивирует» электроны в солнечных панелях превратиться в электрический ток. Часть фотонов просто отскакивает от поверхности — из-за высокого показателя преломления кремний сильно отражает свет. Вот почему доступный в больших количествах солнечный свет не может в полной мере преобразоваться в электрический ток. Чтобы уменьшить потери на отражение, солнечные элементы покрывают антибликовым покрытием, а также искусственно затемняют их поверхность.
Солнечную батарею принято накрывать прозрачным стеклом: оно защищает от влаги и фотонов, чья энергия слишком велика: без стекла они будут проскакивать батарею насквозь и нагревать ее, а не отдавать энергию электронам, — так, слишком громкий голос начальницы из «Служебного романа» никак не мотивировал главного героя на свершения.
Алексей Тарасенко
Старший научный сотрудник Объединенного института высоких температур РАН
На одном солнечном элементе возникает напряжение 0,6–0,7 вольт — этого не хватит для нужд потребителей. Поэтому элементы и собирают последовательно в батареи по 36, 60 или 72 штуки, что позволяет обеспечить рабочее напряжение в 12–48 вольт — это сопоставимо с напряжением автомобильных аккумуляторов.
Эффективность и будущее солнечных панелей
Первые солнечные батареи появились в середине прошлого века. Кремниевые модули до сих пор самые востребованные: из-за больших объемов производства кремния нужного качества они занимают почти 95% современного рынка преобразователей энергии света. За прошедшие годы их КПД вырос: серийные солнечные панели эффективно перерабатывают около 17–19% попадающего на них солнечного света. В лабораторных экземплярах из перовскита и кремния удалось преодолеть показатель в 30%.
Солнечные панели снабжают энергией небольшие объекты — частные дома, небольшие здания, автозаправочные станции, панели устанавливают на промышленных предприятиях, но в одиночку солнечные электростанции не смогут покрыть растущие потребности человечества в энергии.
Главные вызовы при строительстве солнечных парков — транспортировка и накопление энергии, также производительность панелей снижают пыль и грязь, пасмурные дни и даже сильный нагрев. Сегодня солнечные станции производят меньше 4% мирового электричества, тогда как уголь, нефть и газ продолжают покрывать более 80% энергетических нужд человечества.
