Енергетика: сьогодення та майбутнє

Новини, аналітика, статті, фото та відео

«Найважливіший винахід людства»: як влаштовані сонячні батареї

«Найважливіший винахід людства»: як влаштовані сонячні батареї

Рейтинг користувача: 5 / 5

Активна зіркаАктивна зіркаАктивна зіркаАктивна зіркаАктивна зірка
 

Сонячні батареї не тільки забезпечують доступ до практично невичерпного джерела енергії, а й знижують викиди СО2 в атмосферу, позбавляючи від необхідності спалювати викопне паливо. Як же з'явилися сонячні батареї, як вони працюють та яке майбутнє їх чекає?

Коротка історія

Перший крок в довгій історії сонячної енергетики був зроблений у 1839 році, коли французький фізик Олександр Едмон Беккерель відкрив фотоелектричний ефект. Понад сто років по тому хімік Кельвін Фуллер, фізик Джеральд Пірсон та інженер Деріл Чапін, що працювали в компанії Bell Laboratories, побудували перший кремнієвий фотоелемент.

Ніхто з винахідників не думав про відмову від нафти або захисту навколишнього середовища: Чапин намагався створити джерела живлення для телефонів, встановлених у віддаленій місцевості, а Пірсон та Фуллер досліджували властивості напівпровідників.

Як працюють сонячні батареї?

Щоб зрозуміти принцип роботи фотоелементів, необхідно звернутися до будови атома кремнію. На його зовнішній електронній оболонці є вакантні місця для електронів, які атом намагається заповнити, утворюючи з іншими атомами кристалічну решітку. Чистий кристалічний кремній не може проводити струм, тому в сонячних панелях його змішують з фосфором, на зовнішній електронній оболонці якого є надлишковий електрон. Отриманий матеріал відомий як кремній n-типу.

Кремній n-типу розташовується на зовнішній поверхні сонячної панелі, у всередині його змінює кремній p-типу. До його складу додані такі елементи, як галій або бор, у яких на зовнішній електронній оболонці не вистачає електрона. Коли фотони сонячного світла збуджують надлишкові електрони в n-кремнії, ті прагнуть заповнити вакантні місця в p-кремнії. Рух заряджених частинок генерує електрику.

Сонячні батареї сьогодні

Протягом більшої частини XX століття фотоелементи планувалося використовувати для енергозабезпечення космічних апаратів, тому їх намагалися зробити якомога легкими. В наші дні сонячні батареї масово використовуються на Землі, тому вони повинні бути ще міцними та довговічними. Для цього шар кремнію покривають прозорим склом, який пропускає ультрафіолет та виконує функцію захисту.

Іншою найважливішою характеристикою сонячних батарей стала їх ефективність — тобто кількість сонячного світла, який впав на квадратний метр фотопанелі та перетворився в електрику. Близько десяти років тому ККД фотоелементів коливався близько 13%, проте до середини 2019 року він зріс приблизно до 23%.

Як збільшити межу ефективності кремнієвих панелей?

Фізична природа кремнію обмежує теоретично можливу ефективність сонячних панелей значенням у 29%. Але є способи подолати це обмеження. Наприклад, недавно дослідники з MIT довели, що максимальний ККД кремнієвих фотоелементів можна підвищити до 35%, доповнивши конструкцію тонкими шарами тетраміцена та оксинитрида гафнію. Вони дозволяють одному фотону вибивати одразу два електрони.

Інша можливість — використання нових матеріалів, наприклад, перовскитів. Всього за кілька років ефективність перовскітних сонячних елементів зросла з 10% до 20%. На жаль, поза лабораторією результати поки не такі дивовижні, оскільки перовскіт швидко втрачає свої властивості під впливом води та інших зовнішніх факторів.

Як інтегрувати енергію Сонця в енергосистему?

Головний недолік Сонця як джерела енергії — його мінливість. Вночі та в похмуру погоду фотоелементи стають безпотрібними. Хоча ведуться цікаві дослідження в цьому напрямку. Природний вихід — об'єднання сонячних панелей з батареями для зберігання енергії. Крім того, використання сонячної енергії можна оптимізувати за допомогою систем розумного будинку. Вони можуть, наприклад, скористатися жарким днем, щоб включити кондиціонери та охолодити будинок до приходу господаря або ввімкнути пральну машинку чи щось інше.

Сонячна енергія швидко витісняє традиційні джерела з енергосистем цілих країн. А зовсім недавно, навіть Європейська асоціація з сонячної енергетики Solarpower Europe запустила кампанію по обов'язковому встановленню сонячних станцій на всіх будівлях в ЄС.

На цьому поки все. Та не забувайте поділитися прочитаним зі своїми друзями!



Еко Електрика

Підпишись на новинки

Цікаві матеріали

Компанії Orbital Marine Power та TEXO Group уклали контракт на будівництво в Шотландії найбільшої у світі приливної електростанції. Старт робіт намічено на 2020 рік. ...

Канадські вчені розробили алгоритм штучного інтелекту, який підвищує продуктивність сонячних фотоелементів, знижуючи обсяг енергії при максимальних навантаженнях, коли частина її витрачається в пусту....