История фотовольтаики и создания солнечных батарей

Фотовольтаика – это прямое преобразование световой энергии солнца в энергию электрическую. История солнечных батарей берет начало в первой половине XIX века, когда в 1839 году было открыто лежащее в ее основе явление фотоэлектрического эффекта. Но тем не менее с тех пор прошло более ста лет, прежде чем произошло первое преобразование энергии света в электричество.

Открытие

Впервые с фотоэлектрическим эффектом столкнулся в 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель. Он проводил эксперименты с электролитическими элементами, используя платину в качестве электродов – анода и катода.

Александр Эдмон Беккерель (1820–1891)

Измеряя при этом ток, протекающий между электродами, ученый заметил, что при свете его величина незначительно возрастает по сравнению с величиной тока в темноте. Так было открыто явление фотоэлектрического эффекта. Но, хотя открытие и состоялось, практическое применение ему было найдено только через несколько поколений.

Фундаментальные исследования

В 1873 году английский инженер-электрик Смит Уиллоуби, проводя опыты по определению проводимости селена, обнаружил, что при освещении этот проводник изменяет сопротивление. Открытие повлекло за собой целый ряд серьезных исследований по этой тематике.

Смит Уиллоуби (1828-1891)

В 1876 году Уильям Гриллс Адамс вместе со своим учеником Рихардом Эвансом Дэем обнаружили, что селен способен сам вырабатывать электричество, если его осветить достаточно мощным источником света. И хотя селен не пригоден к тому, чтобы вырабатывать электричество достаточной мощности, это исследование показало, что можно получать электроэнергию непосредственно из твердых материалов, без использования тепловой или механической энергии.

В 1883 году житель Нью-Йорка Чарльз Фриц создал первый в мире модуль из селеновых элементов. Этот модуль стал предшественником современных модулей фотовольтаики. Однако все фундаментальные работы по исследованию фотоэлектрического эффекта вызывали у многих ученых того времени большое сомнение в серьезности и перспективности этого открытия.

В 1884 году Юлий Элстер совместно с Гансом Фридрихом Гайтелем представили большую монографию, посвященную исследованию фотоэффекта. В 1887 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц открыл новые свойства элементов, которые он назвал «внешний фотоэффект».

Генрих Рудольф Герц (1857–1894)

Тщательное исследование этого явления он поручил своему ученику Вильгельму Людвигу Францу Гальваксу. В том же году независимо от Гальвакса итальянский физик Риги Аугусто проводит аналогичные исследования, результаты которых практически совпали с результатами Гальвакса.

С 1888 по 1891 год исследованием внешнего фотоэффекта вплотную занимался выдающийся русский ученый Александр Григорьевич Столетов. На основании своих исследований он создал первый в мире фотоэлемент, в основу действия которого был положен внешний фотоэффект. Изучая зависимость силы тока от интенсивности излучения, попадающего на фотокатод, Столетов вывел первый закон фотоэффекта, который получил имя ученого – закон Столетова.

Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896)

Совместно с Гальваксом в 1889 году было открыто явление старения фотоэлементов – так называемое фотоэлектрическое утомление. Являясь основоположником количественных методов исследования, Столетов дал последующим поколениям ученых мощный инструмент для изучения и углубленного исследования фотоэффекта.

Этим инструментом успешно пользовались в дальнейших исследованиях лауреаты Нобелевской премии – немецкий физик Филипп Эдуард Антон Ленард и английский физик Джозеф Джон Томсон. В 1907 году Альберт Эйнштейн разработал теоретическое обоснование фотоэлектрического эффекта. За эту работу Эйнштейну в 1921 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Альберт Эйнштейн (1879 – 1955)

В 1912 – 1916 годах американский физик Роберт Эндрюс Милликен сумел экспериментально подтвердить теорию Эйнштейна. За это и ряд других работ, связанных с измерением заряда электрона, в 1923 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

Следующий важный и логический шаг в развитие полупроводниковой техники и фотовольтаики был сделан в 1916 году польским ученым Яном Чохральским, который открыл процессы кристаллообразования, названные впоследствии его именем.

Ян Чохральский (1885 – 1953)

Дальнейшее развитие его работы получили в сороковые годы ХХ века, а в пятидесятые годы резко возросли потребности в полупроводниковых элементах, которые стали широко применяться в различных сферах техники и радиоэлектроники.

Фотоэлементы

В 1934 году проводились исследования с тонкой пленкой оксида меди, которая наносилась на медный анод в качестве полупроводника. Катод в этой электрической цепи также был покрыт полупрозрачной медной пленкой. Работая с такой схемой преобразования энергии света в энергию электрическую, ученые рассчитали, что при горизонтальном расположении пластин в перспективе можно получить мощность порядка 26 ватт на один квадратный метр.

В 1940 году Рассел Ол, сотрудник лаборатории Белла, проводил опыты с образцами на кремниевой основе и имеющих различные химические составы. Один образец при охлаждении дал трещину. Его распилили и проводили опыты по уже нерегламентированной программе. И вот здесь Рассел Ол неожиданно обнаружил, что если образец осветить, то электроизмерительные приборы, подключенные в цепь, показывают изменения тока и напряжения. Дальнейшие работы с кремнием уже носили целенаправленный характер. При исследовании кремниевых образцов с различными присадками были выведены общие закономерности, которые в конечном итоге привели к открытию p-n перехода в полупроводниках.

В 1948 году была разработана первая концепция полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей на диодах Шоттки. В 1950 году Уильям Брэдфорд Шокли разработал теоретическую модель p-n перехода, создав тем самым базу для разработки современных солнечных батарей. За эту работу в 1956 году Уильяму Шокли была присуждена Нобелевская премия по физике.

Уильям Шокли (1910 – 1989)

В те годы лаборатория Белла в Нью Джерси была одним из самых лучших научно-исследовательских центров в мире. В 1953 году ученые этой лаборатории Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон изготовили первые в мире кристаллические кремниевые солнечные элементы. Каждый из этих элементов имел площадь активной поверхности около двух квадратных сантиметров.

Эффективность самых первых фотоэлементов была всего 4%. Вдохновленные полученными результатами ученые продолжали работу над своим творением, и уже вскоре были получены элементы с эффективностью 6%.

Кэлвин Фуллер (1902 – 1994), Джеральд Пирсон (1905 – 1987), Дэрил Чапин (1906 – 1995)

25 апреля 1954 года газета «Нью-Йорк Таймс» на первой полосе поместила материал о сенсационном достижении ученых. Через некоторое время была достигнута эффективность 11%, и в 1955 году эти элементы были применены в качестве источника питания для телефонных усилителей. Совершенствовалась технология изготовления фотоэлементов, и вот уже в 1958 году в США, а через два месяца в СССР на орбиту вокруг Земли выводятся спутники, аппаратура которых частично питается от солнечных батарей.

Солнечная энергетика с тех пор сделала не один, а много качественных скачков. Сейчас очень трудно найти такую отрасль, где не используются солнечные батареи. От космических станций и мощнейших, в сотни мегаватт электростанций до наручных часов и детских игрушек. Освещение улиц, электроснабжение домов, сельскохозяйственных ферм, электромобили, велосипеды, яхты, самолеты на солнечных батареях – это уже не фантастика, а наша действительность.