История создания солнечных батарей

Производство солнечных батарей сегодня весьма актуально, т.к. они являются источниками энергии в большом количестве областей, в том числе в медицине, связи, космической, телекоммуникационной отраслях, микроэлектронике и т.п. Фотоэлектрические солнечные панели состоят из тонких кремниевых пластин, преобразующих солнечный свет в электричество. В свою очередь, солнечные батареи используются в различных спутниках и солнечных электростанциях, но уже в более крупных размерах. [1]

История создания солнечных батарей положила свое начало еще в XIX веке.  В результате постоянно проводимых исследований в области преобразования солнечной энергии в электрическую, технология производства солнечных батарей стремительно развивалась.

Впервые, с фотоэлектрическим эффектом столкнулся французский физик Александр Эдмон Беккерель в 1839 году. Он проводил различные эксперименты c электролитическими элементами, задействовав платину в качестве электродов – анода и катода. Ученый обратил внимание на то, что величина тока, протекающего между электродами при свете, незначительно увеличивается по сравнению с величиной тока в темноте. В результате этого было открыто явление фотоэлектрического эффекта, хотя практическое его применение было найдено значительно позже.

В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит, проводя опыты по определению проводимости селена, выявил что при освещении проводник изменяет сопротивление. Позднее только в 1877 году Уильям Гриллс Адамс вместе со своим учеником Рихардом Эвансом Дэем отметили, что селен под воздействием света производит электрический ток. Хотя селен не вырабатывал электричество достаточной мощности, но это открытие показало, что электроэнергию можно получать из твердых материалов, без использования механической или тепловой энергии.

В 1880 году покрытый золотом селен для производства первого солнечного элемента, КПД которой составлял всего лишь 1% (это означает, что только один процент солнечного света преобразовывался в электричество) использовал Чарльз Фриттс. Фриттс считал свои солнечные элементы революционными. Он считал, что в дальнейшем бесплатную солнечную энергию возможно использовать как средство диверсификации поставок энергии, прогнозируя, что в будущем солнечные батареи заменят существующие электростанции. В 1954 году Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер произвели кремниевый солнечный элемент, имеющий КПД 4%, эффективность которой в последующем увеличили до 15%. [2]

Совершенствовалась технология изготовления фотоэлементов. Уже в 1958 году на орбиту вокруг Земли США, а через два месяца СССР выводят свои спутники. Их аппаратура в то время уже частично была запитана от солнечных батарей. Солнечные батареи были впервые использованы для системы телефонной связи в отдаленных городах и сельских районах в качестве источника питания, где на протяжении долгих лет успешно использовались.

Во второй половине XX века солнечная энергетика начала вызывать еще большую популярность. Благодаря исследованиям и практическим разработкам были созданы теплоэлектростанции, где теплоноситель нагревался за счет прямого излучения солнца, а турбоэлектрогенератор функционировал посредством образующегося в котле пара.

Впервые идея устанавливать фотоэлементы на крышах возникла у Абрама Иоффе (хотя поначалу идея не особо понравилась лишь по той причине, что в то время никто не испытывал недостатка в ископаемом топливе). Однако уже сегодня Германия, США, Япония, Израиль и многие другие страны создают все больше «энергосберегающих домов», устанавливая на крышах солнечные батареи. 

По мере накопления знаний возник вопрос рентабельности солнечной генерации. Изначально в задачи солнечной энергетики входило энергообеспечение локальных объектов (труднодоступных, удаленных от центральной энергосистемы). Суммарная мощность всех солнечных установок на планете в 1975 г. составляла всего 300 кВт, а стоимость пикового киловатта мощности достигала 20 тыс. долларов.[4]

В настоящее время солнечные батареи не могут полностью удовлетворить потребности в энергии, но они стали основным источником энергии для обеспечения искусственных спутников Земли. Существующие на тот момент топливные системы и аккумуляторные батареи были слишком тяжелые. Соотношения вырабатываемой энергии к весу у солнечных батарей имеет большее значение, чем все другие традиционные источники энергии, и поэтому являются экономически более эффективными.

Пока количество крупномасштабных энергетических систем невелико, но растет. Мощность ежегодно устанавливаемых солнечных электростанций составляет около 50 мегаватт. Но солнечные батареи обеспечивают лишь около 1 % всей производимой электроэнергии. Сторонники солнечной энергетики утверждают, что количество солнечного излучения, достигающего поверхности Земли каждый год, могло бы легко обеспечить потребности в энергии несколько раз. Но история создания солнечных батарей должна пройти длинный путь, прежде чем осуществить мечту Чарльза Фриттса по получению бесплатной и доступной солнечной энергии.[3]