Схема опыта А. Э. Беккереля. Две одинаковые металлические пластины погружены в электролит и разделены светонепроницаемой перегородкой. Когда свет падает на одну из пластин, в цепи возникает электродвижущая сила.

Первый фотоэлемент на основе селена, созданный Ч. Фритсом в 1883 году.

Схема цезиевого фотоэлемента. В стеклянную колбу помещены два электрода. Один из них, анод в форме металлического кольца, располагается в центре колбы.

Схематическое устройство полупроводникового кремниевого фотоэлемента. На основу из пластины n-кремния (n-Si) посредством диффузии наносится слой p-кремния (p-Si).

Современные фотоэлементы могут обеспечить работу ноутбука в течение всего дня.

Современный телевизор потребляет энергии не больше обычной лампочки накаливания.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Кризис наступает тогда, когда уже нельзя сказать: «Давайте всё забудем».
Предписание Фергюсона (Законы Мёрфи)

То, что свет может стать источником электричества, впервые увидел французский естествоиспытатель Александр Эдмон Беккерель. В 1839 году, работая в лаборатории своего отца, известного физика Антуана Беккереля, девятнадцатилетний Эдмон обнаружил фотогальванический эффект: при освещении платиновых пластин, погружённых в раствор электролита, гальванометр регистрировал появление электродвижущей силы. Эдмон Беккерель даже нашёл применение этому эффекту, разработав на его основе актинограф — прибор для регистрации интенсивности света.

Следующей вехой на пути к солнечным батареям стало открытие фотопроводимости селена. Его сделал Уиллоби Смит, инженер британской телеграфной компании, занимавшейся прокладкой кабеля под водой. В 1873 году, разрабатывая устройство для проверки проводов в процессе укладки, он начал поиск материала, который обладал бы большим электрическим сопротивлением, но в то же время не был бы изолятором. Измеряя сопротивление селеновых стержней, Смит заметил, что результаты сильно «прыгают» раз от раза. Оказалось, что электропроводность селеновых стержней резко увеличивается, когда на них падает свет. В 1883 году американец Чарльз Фритс сделал первый фотоэлемент из тонкого слоя селена, расположенного между пластинками золота и меди.

Немецкий физик Генрих Герц в 1887 году обнаружил влияние ультрафиолета на электрический разряд. Как и в случае с селеном, открытие было неожиданным. Наблюдая одновременно два разряда, Герц заметил, что яркая вспышка света от электрической искры первого разряда увеличивает продолжительность другого разряда.

В 1888 году наш соотечественник Александр Григорьевич Столетов исследовал, как разряжается под действием света отрицательно заряженный цинковый электрод и как этот процесс зависит от интенсивности света. Он же создал первый вакуумный фотоэлемент, который, правда, не заряжал, а разряжал батарею.

Благодаря работам Джозефа Томсона в 1899 году и Филиппа Ленарда в 1900 году было доказано, что свет, попадая на металлическую поверхность, выбивает из неё электроны, вызывая появление фототока. Однако полностью понять природу этого явления удалось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн дал его объяснение с позиции квантовой теории. Заметим, что Нобелевскую премию 1921 года «отец» теории относительности получил за работы, посвящённые именно фотоэффекту. В решении Нобелевского комитета было записано, что премия присвоена Эйнштейну за вклад в теоретическую физику, особенно за открытие закона фотоэффекта. В сущности, это объяснение основывалось на законе сохранения энергии: каждый фотон, взаимодействуя с электроном, передаёт ему свою энергию ε = hν, где ν — частота падающего света, а h = 6,626068(33)·10^-34 (дж·сек) — постоянная Планка. Эта энергия частично идёт на работу А, которую надо затратить, чтобы электрон покинул поверхность металла (работу выхода), частично — на кинетическую энергию электрона. Это соотношение описывает уравнение Эйнштейна:

Появление полупроводников привело к рождению кремниевого фотоэлемента. На пластине кремния n-Si с электронным типом проводимости (основные носители тока — свободные электроны) помещают слой кремния p-Si с дырочной проводимостью (носители тока — атомы, потерявшие электрон, «дырки»).

В зоне p–n перехода при освещении фотоэлемента возникает разность потенциалов около 0,5 В, что и используют при создании солнечных батарей. Объединяя фотоэлементы в модули, получают солнечные батареи с разным напряжением, достигающим порой нескольких сотен вольт.

Одна из важнейших характеристик фотоэлемента — коэффициент полезного действия. Его рассчитывают как процент отношения энергии света, поступившей на фотоэлемент, к энергии, доставшейся потребителю. Если бы не земная атмосфера, то на один квадратный метр поверхности, расположенной на уровне моря перпендикулярно к солнечным лучам, приходилось бы 1300—1400 Вт·ч/м² энергии. Из-за потерь в атмосфере на экваторе эта величина снижается до 1000 Вт·ч/м². Кпд первого фотоэлемента составлял всего 1%, и даже на экваторе с одного квадратного метра можно было снять не более 10 Вт·ч. Кпд фотоэлементов, разработанных к запуску первых спутников, был уже 5—6%. Современные серийные фотоэлементы имеют кпд 14%. Но это не предел: японская компания Mitsubishi Electric в 2007 году сообщила, что им удалось достичь показателя 18,6% для фотоэлементов на базе поликристаллического кремния. А использование многослойных элементов позволило американским исследователям центра Boeng-Spectrolab получить опытные образцы с кпд более 40%. Для сравнения напомним, что кпд автомобильного двигателя составляет в среднем 23%, лишь в отдельных случаях достигая 35%.

Лауреат Нобелевской премии Жорес Иванович Алфёров считает, что кпд солнечных элементов может достигать 90%. России стоит поспешить с исследованиями в сфере солнечной энергетики, если мы хотим занять лидирующие позиции в этой области.

С ростом цен на традиционное топливо солнечные батареи начинают применять в составе автономных фотоэлектрических систем, которые можно эффективно использовать для экономии электроэнергии в быту. В состав такой системы входят солнечные модули, контроллер зарядки-разрядки, аккумуляторная батарея и инвертор. Для правильной эксплуатации аккумуляторных батарей необходимо внимательно следить за состоянием уровня их заряда. Необходимо отключать солнечные модули от заряженных аккумуляторов, и наоборот, подключать их, если батарея разрядилось на 30% (при большем разряде существенно снижается число циклов заряда-разряда).

Инвертор необходим для преобразования постоянного напряжения, обычно 12 В, в переменное 220 В. Отдельные модели преобразователей обеспечивают на выходе переменный ток с нормальной синусоидой, который полностью соответствует сетевому, что важно для некоторых сложных электроприборов, например телевизора. Инвертор необязательно использовать в фотоэлектрических системах, питающих приборы, рассчитанные на работу с постоянным напряжением. Если без преобразователя не обойтись, необходимо помнить, что эффективность всей системы упадёт на 10% — кпд современных инверторов составляет 90%.

Могут ли современные солнечные батареи обеспечить реальные потребности человека в электричестве, то есть фактически заменить привычную розетку, питающуюся от линии электропередач?

Рассчитать параметры компонентов необходимой для этого фотоэлектрической системы несложно. Допустим, потребителю требуется суммарно 1000 Вт в сутки. Такую мощность потребляет стоваттная лампочка, непрерывно горящая 10 часов. Впрочем, для энергосберегающей лампы (см. «Наука и жизнь» № 8, 2008 г.), потребляющей в 4—5 раз меньше энергии, киловатта хватит на 40—50 часов непрерывной работы. Для сравнения: среднее потребление электроэнергии на человека в Москве составляет 3000—4000 Вт в сутки.

Для начала рассчитаем ёмкость аккумуляторной батареи с учётом того, что она не должна разряжаться менее чем на 30%. Для двенадцативольтовой аккумуляторной батареи из простого уравнения: 1000 Вт·ч = (12 В × Х А·ч) × 70%, где Х — ёмкость батареи, получаем расчётную ёмкость батареи приблизительно 120 А·ч. Правда, необходимо помнить, что потери энергии в самой батарее составят около 15%, а значит, суммарная ёмкость должна составлять 138 А·ч. (Такую ёмкость с запасом обеспечивают три автомобильных свинцово-кислотных аккумулятора ёмкостью по 55 А·ч.)

Для расчёта суммарной мощности и количества солнечных элементов необходимо учесть инсоляцию — количество попадающего на поверхность прямого солнечного света. Например, для Москвы, расположенной на высоте 187 метров над уровнем моря и на широте 56°, этот показатель максимален в июне: Е_июнь = 168 кВт/м² (здесь и далее приводятся показатели для площадки, расположенной под углом 40° к горизонту и направленной на юг). Поскольку на экваторе инсоляция на уровне моря составляет 1000 Вт·ч/м², то за весь июнь один квадратной метр наклонной площадки в Москве получает солнечной энергии столько же, сколько аналогичная поверхность на экваторе за 167 часов. Фактически показатель инсоляции, поделённый на 1 кВт·ч, показывает время, за которое солнечные элементы вырабатывают электроэнергии столько же, сколько на экваторе. В действительности же на широте Москвы на один квадратный метр в июне приходится всего 700—750 Вт солнечной энергии. Другими словами, один квадратный метр поверхности в Москве получает за полтора июньских часа столько же энергии, сколько на экваторе за час. Вот почему за весь световой день в июне Москва получает света столько, сколько на экваторе поступает за 5,6 часа. Таким образом, дневной показатель инсоляции в Москве в июне составляет Е_{день в июне} = 5,6 кВт·ч/м², а в декабре и того меньше — всего Едекабрь = 2,2 кВт·ч/ м². С мая по август среднедневной уровень инсоляции в Подмосковье составляет Е_{день летом} = 5,25 кВт·ч/м².

Остаётся рассчитать, сколько потребуется модулей солнечных батарей для зарядки аккумуляторов. Мощность одного модуля солнечной батареи сегодня находится в пределах от 10 до 300 Вт·ч. Предположим, что используются модули мощностью Pw = 50 Вт·ч. Стоимость такого модуля составляет примерно 200 долларов, или 4800 рублей (4 доллара за 1 Вт·ч производимой энергии). Такой модуль выработает энергии за день:

Таким образом, чтобы обеспечить потребителя необходимой энергией в декабре, потребуется не менее 29 модулей, зато летом достаточно четырёх модулей солнечных батарей.

Теперь можно прикинуть стоимость всей фотоэлектрической системы. Если исходить из её использования в течение целого года, то потребуется 6 свинцово-кислотных аккумуляторов ёмкостью 55 А·ч (в таблице указаны цены на август 2008 года).

Конечно, использовать солнечные элементы в Москве круглый год смысла пока нет. Подобная система стоила бы около 150 тыс. рублей, но бóльшую часть года работала слишком неэффективно, а летом её кпд составил бы всего 14%. Увы, Москва не слишком богата запасами солнечной энергии. Скажем, на широте Сочи для нашей гипотетической системы на год хватило бы 8 модулей, а её стоимость составила бы около 50 тыс. рублей. Летом эффективно использовать фотоэлементы можно и в Заполярье. Солнце, не опускающееся за горизонт, посылает за сутки на солнечные батареи энергии больше, чем на экваторе за весь световой день.

К сожалению, широкое применение фотоэлектрических систем пока сдерживает высокая цена. Тем не менее их уже можно использовать в местах, куда трудно и дорого тянуть провода. Стоит также принять во внимание, что затраты на фотоэлектрическую систему сравнимы с ценами на бензиновые мини-электрогенераторы, которым требуется ещё и недешёвое топливо.

№10, 2008