Как солнечные панели со спутников 50-х годов перешли на ваш задний двор

Солнечные панели быстро становятся обычным явлением в домах, но когда-то они были не более чем редкой диковинкой. Как мы смогли перейти от использования солнечной энергии на спутниках к тому, чтобы она стала самым доступным источником электроэнергии? Есть ли что-нибудь в его исторической траектории, что могло бы подсказать, куда он пойдет дальше?

Чтобы разобраться в этих острых вопросах, мы поговорили с Джоном Перлином , написавшим книгу по истории солнечной энергетики . История, через которую он нас провел, имела несколько неожиданных поворотов.

Как вообще работают солнечные панели?

Начнем с основ фотогальваники. Поверьте мне, это полезный контекст для объяснения того, как технология развивалась с течением времени.

По сути, электричество — это поток электронов. В некоторых молекулах отсутствуют электроны по сравнению с их стабильным состоянием. У других молекул слишком много электронов. При достаточном количестве энергии электроны могут перепрыгнуть с одной молекулы, если ее слишком много, и на другую, если ее слишком мало. Это движение электронов может стать электрическим током.

Солнечные панели используют это, помещая одну кремниевую пластину со слишком большим количеством электронов (называемую N-типом, потому что электроны создают отрицательный заряд) поверх другой со слишком малым количеством электронов (называемой P-типом, потому что она фактически заряжена положительно). Когда солнечный свет попадает на слой N-типа, панель может поглотить достаточно энергии, чтобы выбить лишний электрон. Сначала эти электроны пойдут прямо к P-типу, чтобы заполнить все доступные дырки, но эти промежутки заполняются довольно быстро. Это оставляет обедненную область на стыке двух слоев. Соседние электронные дырки заполнены, и больше электронов не могут легко пройти.

К счастью, есть альтернативный путь. Так уж получилось, что выбор этого пути приведет в действие все наши разработки в этом процессе. Тонкие проводящие полоски накладываются вдоль верхней части слоя N-типа, чтобы отправлять электроны по этому пути.

После выхода из верхнего слоя кремния электрон проходит через инвертор, который превращает постоянный ток в переменный, который можно использовать в повседневных устройствах. Затем электрон проходит через все, что нуждается в электричестве.

После того, как электрон выполнил свою работу, цепь замыкается, когда он возвращается в нижний слой кремния. За пределами области обеднения слой P-типа все еще имеет слишком мало электронов и готов принять их на другом конце. На этом все может закончиться тем, что электроны, наконец, найдут свой дом, но слой солнечной панели N-типа достаточно тонкий, чтобы свет мог достичь слоя P-типа, выбить там электроны и вернуть их на верхний уровень, чтобы уйти. пройти весь процесс еще раз.

Если вы хотите углубиться в подробности, у нас есть более подробное объяснение того , как работают солнечные панели .

Неровное начало

Первая зарегистрированная фотоэлектрическая солнечная панель была установлена ​​в Нью-Йорке в 1884 году Чарльзом Фриттсом. Он был построен на основе работы французского физика Эдмона Беккереля, который всего за несколько лет до этого создал первый индивидуальный солнечный элемент. Панель Фриттса была не очень эффективной: она улавливала всего 1% солнечной энергии в виде электричества.

Другой изобретатель, Джордж Коув, пошел другим путем. Вместо использования солнечного света его машина использовала солнечное тепло для генерации электрического тока. В то время эта концепция не была новой, но эта теория до сих пор используется в термоэлектрических генераторах. Похоже, что Коув захватил лабораторию Фриттса , но это длилось недолго. Работа Коува была омрачена противоречиями.

После значительных внешних инвестиций в его компанию по производству солнечной энергии Коув был похищен американскими капиталистами с целью заставить его прекратить свою работу. Возможно, это было как-то связано с утверждениями о том, что его солнечная панель на самом деле просто получала энергию из электрической сети, а не генерировала собственную, что представляет собой мошенничество. Другие считают, что Коува вообще не похищали, а просто искали огласки. В равной степени это могло быть делом рук нервных конкурентов, чей бизнес зависел от энергии ископаемого топлива.

Как бы то ни было, к 1911 году рост добычи угля и нефти похоронил надежды на появление первых солнечных панелей на десятилетия вперед.

Эйнштейн меняет все

Классический Эйнштейн, перевернувший все, что мы знаем. До того, как он пришел с важным видом, с развевающимися на ветру жесткими локонами, было общепринято, что свет действует как волна. Например, свет, исходящий от двух разных источников, не отражается друг от друга, как это было бы в случае, если бы свет был частицей. Свет от любого источника просто проходит сквозь друг друга, как волна.

Эйнштейн, однако, смог доказать, что свет действует и как частица, и как волна. Он сделал это, наблюдая, как металл реагирует на свет определенной длины волны. Короче говоря, он продемонстрировал, что некоторые виды света обладают достаточными свойствами частиц, чтобы выбивать электроны из металлов с места.

Последствия для солнечных батарей были огромными. Эйнштейн показал, что более короткие волны несут более высокую энергию. Однако эта более короткая длина волны не проникала так глубоко в материал. Это означало, что солнечные панели должны были располагать свои более активные элементы (например, там, где встречаются слои P-типа и слои N-типа) ближе к поверхности, чтобы легкие частицы, фотоны, могли выбивать электроны в этом соединении. Потенциал повышения эффективности возродил интерес к солнечным технологиям.

Кремний получает обновление

Перспективы солнечных панелей вновь появились в мире телекоммуникаций . В 1950-х годах перед Bell Labs была поставлена ​​задача найти альтернативу сухим батареям, которые продолжали разрушаться в тропическом климате и влияли на местную телефонную связь. Ведущий исследователь Дэрил Чапин приступил к изучению солнечной энергии в качестве решения.

Слово «допинг» не имеет положительного оттенка, но это было важное достижение в технологии солнечных батарей. На тот момент полупроводники для солнечных батарей были довольно ограничены. Использовался элемент селен, но он все еще был недостаточно эффективен, чтобы его можно было использовать на практике. После некоторых экспериментов лаборатория Bell Labs обнаружила, что введение примесей в кремний значительно улучшает его полупроводниковые характеристики.

Было обнаружено, что добавление (или легирование) верхнего слоя кремния фосфором добавляет в смесь гораздо больше электронов. Аналогичным образом, добавление бора в нижний слой привело к заполнению большего количества электронных дырок. Эта большая разница в зарядах увеличила поток электронов между двумя слоями, где они встретились. Солнечные панели с КПД 6% наконец-то были готовы к реальному использованию.

Космическая гонка

Ну, может быть, просто немного за пределами этого мира. В этот момент Советы и американцы были вовлечены в космическую гонку. Спутники были запущены, но срок их службы был ограничен неделями из-за батарей, с которыми они запускались. Правительство США стремилось финансировать решения, которые позволили бы им оказаться впереди в холодной войне. Бывший нацист Ганс Циглер приехал в США в рамках операции «Скрепка». «Скрепка» — секретная американская программа, целью которой было привлечь немецких учёных в ряды после Второй мировой войны, одновременно уклоняясь от внутренних запретов на нацистских иммигрантов.

«Ирония всей этой истории заключается в том, что солнечные батареи рассматриваются как нечто хиппи-диповое. Фактически его подтолкнул военно-промышленный комплекс Америки». — Джон Перлин

Циглер стремился внедрить солнечные элементы на спутники. Несмотря на внутренний скептицизм, первое испытание Зиглера на спутнике «Авангард-1» было одобрено и запущено в 1958 году. Хотя миссия должна была продлиться 90 дней, благодаря солнечным панелям он смог поддерживать связь с Землей более шести лет. «Авангард-1» на самом деле до сих пор находится на орбите. Дело было в пользу солнечной энергии, и она быстро стала стандартом для всех будущих запусков спутников.

Крупные нефтяные компании делают ставку на солнечную энергию

Exxon имеет репутацию заклятого врага климатического движения, поэтому было так удивительно, когда Перлин сообщил нам, что Exxon впервые осуществила коммерческое внедрение наземных солнечных панелей.

У Exxon было множество морских буровых и других удаленных операций, требующих электроэнергии. Многие из них использовали первичные батареи, которые были довольно дорогими и не поддавались перезарядке. Клетки иногда сбрасывали в океан, когда они были истощены. В какой-то момент кучу электронного мусора выбросило на берег Хьюстона, что, по понятным причинам, разозлило некоторых людей.

После этого спора Exxon начала искать альтернативы. Исследователь Эллиот Берман широко продвигал солнечную энергию, и после работы с Exxon над изучением этой возможности его выбрали для управления солнечной дочерней компанией Solar Power Corporation, находящейся в полной собственности Exxon. Здесь Берман разработал отличный способ снижения затрат. Большая часть кремния была получена путем выплавки кварца (песка) в большой слиток, а затем сбривания с него пластин. Этот процесс создал монокристаллическую атомную структуру, которая была эффективна при производстве солнечной энергии, но был и другой вариант.

Берман хотел извлечь выгоду из солнечных батарей, которые не подходили для космических путешествий. Он смог воспользоваться этим запасом и получить поликристаллический кремний, объединив отходы кремния. Он также смог использовать кремний из более широкой электронной промышленности. Полученные в результате поликристаллические солнечные панели были не так эффективны, как монокристаллические солнечные панели, из-за мешанины выращивания кристаллов, но их производство обходилось примерно в пять раз дешевле.

После успешного использования солнечной энергии в космосе и снижения затрат благодаря работе Бермана компания Exxon начала пробовать солнечные панели на своих платформах. Конечно же, солнечная энергия работала отлично. Другие отрасли вскоре заметили и начали использовать солнечную энергию для других удаленных операций.

Энергетическая независимость Америки

Роль нефти в развитии солнечной энергетики еще не исчерпана. Глобальное сокращение поставок нефти со стороны ОПЕК в 1973 году заставило США искать способы уменьшить зависимость от нестабильного рынка Ближнего Востока. В то время как Exxon активно работала над диверсификацией, опасаясь, что она не сможет оставаться в нефтяном бизнесе, солнечная энергия была менее приоритетной для правительства.

Несмотря на всю прессу, которую Джимми Картер получил за установку солнечного водонагревателя на крыше Белого дома, у него все еще был опыт работы инженером-ядерщиком. Хотя он продвигал солнечную энергию наряду с энергосбережением как средство достижения энергетической независимости, его политика в значительной степени отдавала предпочтение атомной энергетике и углю. Картер даже отклонил просьбы военных использовать солнечную энергию для собственных нужд удаленного управления. Лаборатории Белла столкнулись с подобными препятствиями в 50-х годах, когда программа Эйзенхауэра «Атом для мира» продвигала ядерную энергетику как путь будущего.

В конечном итоге Америка обнаружила большие внутренние запасы нефти и имела значительный профицит на протяжении 80-х годов.

Китай вступает в игру

До этого момента Америка зарекомендовала себя как эпицентр развития солнечных батарей. В конце концов, американцы были пионерами первых исследований, внедрили технологии в космическое пространство и выступили за энергетическую независимость. Это должно было измениться.

Видите ли, австралийские поставщики телекоммуникационных услуг были обязаны по закону предоставлять услуги в сельской местности, и они столкнулись с теми же проблемами, что когда-то сталкивались с Bell Labs. На обширных территориях Австралии чертовски жарко, и подача бензина или батарей к ретрансляционным вышкам в глубинке не совсем практична.

Эта проблема побудила к инвестициям в решения, включая возможную разработку Мартином Грином из Университета Нового Южного Уэльса пассивного излучателя и задней ячейки (или PERC). Крайне важно, что это уменьшило поглощение тепла солнечными панелями, чтобы они могли продолжать работать при высоких температурах. Он также имел то преимущество, что свет отражался обратно в кремний для второго шанса поглощения. Это повысило эффективность до 25%. В настоящее время около 90% солнечных панелей используют элементы PERC.

«Трагедия в том, что единственным правительством, которое действительно проявило хоть какой-то энтузиазм в области солнечной энергии, было правительство Китая. То, что изначально началось как американское изобретение с солнечным элементом Bell, теперь Китай производит 80% или 90% солнечного материала в мире». — Джон Перлин

Несмотря на внутренние потребности, политическая ситуация не способствовала продвижению Грином своей технологии. Как и Америка, Австралия имела интересы в области ископаемого топлива и активно выступала против фотоэлектрических систем. Соседний Китай не имел подобных связей. Там Грин смог обхаживать потенциальных студентов.

Один из докторов философии Грина. Студенты Ши Чжэнжун привезли новую технологию PERC в Китай и собрали достаточный капитал, чтобы в 2002 году начать производство солнечных элементов под названием Suntech. Помимо решения потребностей Австралии в телекоммуникационной энергии, большинство экспертов отправились в Германию, чтобы воспользоваться крупными правительственными стимулами для производства возобновляемой энергии.

Многие инвесторы Suntech пришли благодаря контактам Грина с американскими техническими экспертами. Эти контакты в конечном итоге привели к тому, что Suntech стала первой частной компанией в Китае, акции которой котируются на Нью-Йоркской фондовой бирже. Интерес усилился до такой степени, что появилось множество других китайских производителей солнечной энергии, чтобы воспользоваться американскими инвестициями. В результате ожесточенная конкуренция между ними привела к снижению цен.

Даже при наличии американских денег и поддержки правительства Китая финансовый кризис 2008 года сделал эти низкие цены неприемлемыми для некоторых игроков. Тем не менее, многим из этих крупных китайских производителей солнечных панелей удалось заблаговременно привлечь американские инвестиции и достаточно быстро перейти к массовому производству, чтобы пережить финансовый кризис и в конечном итоге обеспечить сохранение исторически низких цен на солнечную энергию. Солнечная панель на «Авангарде-1» стоила 100 долларов за ватт, но сегодня она стоит менее 3 долларов за ватт.

Что будет дальше с солнечными панелями?

Может показаться, что солнечные панели появились повсюду только за последние несколько лет, но они медленно приближались к этому моменту на солнце уже более столетия. Ранняя фотоэлектрическая теория проложила путь к открытию Эйнштейном света, действующего как волна и частица. Bell Labs воплотила теорию в жизнь, отправив солнечные панели в космос, что, в свою очередь, доказало Exxon, что она (а впоследствии и другие отрасли) могут использовать солнечную энергию для удаленных операций. В то время как Америка начала все больше склоняться к ископаемому топливу, Китай оказался благодатной почвой для инвесторов и исследователей, которые начали массово производить солнечные панели и снижать цены.

Сейчас количество солнечных установок в США растет с беспрецедентной скоростью. Перлин по-прежнему с оптимизмом смотрит на следующие этапы. В то время как популярная утопическая идея могла бы предусматривать солнечную панель на каждой крыше, Перлин считает, что наибольший прогресс происходит на солнечных электростанциях коммерческого масштаба. Таким образом, хотя мы не все можем смотреть вверх и видеть кремний каждый день, есть большая вероятность, что он будет продолжать питать все больше и больше современной жизни, за кулисами.