Первая очередь гигантской солнечной электростанции в пустыне Сахара. Она должна снабдить электроэнергией 1 миллион марокканцев.

Начало цивилизации связано с приручением огня человеком. Сперва огонь лишь давал тепло и защиту, позже человек приручил жар огня и заставил его двигать тяжёлые машины и механизмы, запускать самолёты, освещать улицы и так далее. В сущности, огонь — это химический процесс, в котором топливо окисляется кислородом и выделяет тепло. Этот принцип работы не изменялся на протяжения всей истории: от первобытного костра в пещере до угольных тепловых станций. Менялось только топливо. Поначалу это были сухие ветки, на которых можно было приготовить несложную еду и согреться от огня в холодное время. Затем — уголь, это полезное ископаемое пригодилось и в металлургии, паровых двигателях и при отоплении домов. Нефть и газ выделяли ещё больше энергии, человек приручил и их. На уголь, нефть и газ приходится 80% всей получаемой энергии. 

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №14. Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Несмотря на жизненную необходимость этих видов топлива, есть веские причины пересмотреть наш взгляд на них. Первое, в результате горения этих видов топлива выделяется углекислый газ (СО2), увеличение концентрации которого приводит к нагреванию атмосферы солнечными лучами, что может привести к непредсказуемым климатическим изменениям. Во-вторых, ограниченный запас этих видов топлива: по прогнозам, нефти хватит ещё на 50 лет. Поэтому человечество ищет другие виды источников энергии.

Это атомная и геотермальная энергия, энергии ветров, приливов и отливов, течений и т.п. Однако у всех есть свои недостатки и ограничения. Например, нельзя установить ветряные мельницы там, где никогда не будет дуть ветер, или же построить гидроэлектростанцию (ГЭС) там, где нет мощных приливов. Но есть среди них особый вид, который уже буквально наполняет нашу планету энергией и дарит жизнь. Это Солнце! Оно более универсально и обладает огромным энергетическим потенциалом. Оно, освещая каждый уголок Земли, приводит в движение реки, океаны и ветра. Под его лучами растет 1 квадриллион (это единица и 15 нулей) тонн растений, которые, в свою очередь, питают 10 триллион тонн животных и бактерий. Даже запасы нефти и газа были также образованы благодаря Солнцу.

Ежесекундно Солнце дарит нам 174 квадриллион джоулей, что в десять тысяч раз больше, чем человечество потребляет за год. А всего за 17 дней Солнце даст нам больше энергии чем все углеводородные запасы планеты. Невероятно! К тому же резервы Солнца колоссально-колоссально велики, и светиться так же ярко оно будет 5 миллиардов лет.

Можно сказать, что первые солнечные технологии были использованы ещё в IV веке до н.э., когда древние греки с помощью зеркал и стёкол получали огонь и тепло. Этот опыт знаком и вам: наверное, вы тоже в детстве пробовали прожечь бумагу или дерево с помощью увеличительной линзы от биноклей. Поэтому, можно сказать, что солнечные технологии — это не что-то новое, а всем хорошо знакомое старое. И конечно, много разных устройств сменили друг друга с древних времён, однако главный принцип всех этих технологий остался неизменным.

Солнце — это огромный горящий шар, состоящий преимущественно из водорода и гелия. Ежесекундно в его недрах происходит бесконечное число термоядерных реакций, в результате которых и рождаются фотоны — мельчайшие субатомные частицы, которые и являются носителями света. Удивительно, но чтобы выбраться из центра Солнца к его поверхности, фотонам требуется 200 000 лет, в то время как уже выпущенные наружу фотоны разлетаются по Вселенной со скоростью света и долетают до нас всего за 8 минут.

На самом деле свет, испускаемый Солнцем — это смесь фотонов с различными энергиями. И в зависимости от энергии, каждый из них несёт электромагнитное излучение только определённой длины волны: фотоны с большей энергией несут коротковолновые ультрафиолетовые (УФ) лучи, с меньшей — длинноволновые инфракрасные (ИК) лучи. В итоге, солнечный свет имеет следующий спектр излучений: ИК — 52%, видимый свет — 43%, и УФ — 5%.

Конечно, путь от Солнца до Земли ничтожно мал (150 млн км) по сравнению с межзвёздными расстояниями. Однако, даже в этом случае, солнечный свет по дороге к нам умудряется потерять свою некоторую часть. Дело в том, что УФ-лучи, которые губительны для живого организма, практически полностью задерживаются озоновым слоем атмосферы. И поэтому, Земной поверхности достигают только фотоны видимого света и ИК-излучения.

Далее эти фотоны при столкновении с земными объектами передают им свою энергию, вызывая в них какие-либо изменения. Как правило, фотоны ИК-излучения нагревают объекты, приводя в движения их атомы. Как пользоваться получаемым при этом теплом люди знают ещё с древних времён. А вот о том, что фотоны видимого света способны «выбивать» электроны из атомов, человечество не подозревало ещё долгое время, вплоть до обнаружения фотоэлектрического эффекта в середине XIX века. Лишь тогда учёные осознали, что солнечный свет способен не только греть, но и вырабатывать электричество. Давайте-ка далее поговорим о том, как же всё-таки свет делает это.

Свободное движение электронов в проводнике

Фотоэлектрический эффект заключается в том, что фотоны видимого света в некоторых материалах способны передавать свою энергию электронам, и тем самым приводить их в движение. И если такое движение зарядов (в том числе электронов) направленно, то оно называется током. Фотоэлектрический эффект является основополагающим в работе всех солнечных батарей — устройств, преобразующих солнечный свет в электрический ток.

Электроны в диэлектриках очень крепко связаны с ядром

Электроны в полупроводнике подвижны при облучении

Первая солнечная батарея была создана в 1954 году учёными из компании Bell Laboratories. Эффективность батареи составляла 4%, сегодня же максимальная отметка — это 46%. Важно отметить, что все солнечные батареи создаются на основе полупроводниковых материалов, чаще всего кремния. «Почему именно полупроводники?» — спросите вы. Ответ на вопрос прост:

• в проводниках электроны не стоят на месте, они постоянно находятся в движении и всегда готовы переносить ток. Поэтому им не нужна дополнительная энергия света;
• в диэлектриках (непроводники) же электроны настолько сильно прикреплены к ядрам, что даже энергии света недостаточно, чтобы сдвинуть их со своих мест. Как следствие ток в диэлектриках течь не может, даже при облучении;
• а вот в полупроводниках, материалах с промежуточной проводимостью, электроны иногда могут отделяться от своих ядер и даже немного попутешествовать внутри материала. Для этого им достаточно толчка в виде энергии видимого света.

Таким образом, под действием света электроповодность значительно усиливается только в полупроводниках, а в проводниках и диэлектриках никаких заметных изменений при этом не происходит. Именно поэтому для солнечных батарей используются полупроводники.

Если же замкнуть полупроводник с помощью контактов в электрическую цепь и задать хаотичному движению, то в ней при облучении будет возможен ток. Однако этот ток будет несущественным до тех пор, пока движения электронов хаотичны. Поэтому чтобы в цепи имелся полноценный ток, требуется задать движению зарядов определенное направление. Осуществить же это можно с помощью диодной конструкции, состоящего из соединённых между собой полупроводников p- и n-типов. Эта конструкция (диод) особенна тем, что пропускает ток (заряды) только в одном направлении. Имея такой диод в солнечном элементе, мы можем быть уверены, что все наши электроны побегут только в одну сторону, а на выходе будет постоянный и полноценный ток. В итоге, вуаля, наши электроприборы начнут работать!