Варианты хрестоматийной истории солнечный батарей в учебниках, справочниках, энциклопедиях и множестве гуляющих в интернете их перепевов разнятся в деталях, что нормально — пути большинства влияющих на современный мир открытий и изобретений извилисты и не до конца изучены, но в данном случае начинаются все эти истории одинаково: первую реально дававшую ток в ощутимых объемах солнечную батарею смастерил американский изобретатель Чарльз Фриттс в 1883 году из селеновых пластин, покрытых слоем золота, то есть типичной для фотогальванического эффекта пары металлов – полупроводник и проводник.
Есть тому железное доказательство. Сохранилась фотография 1884 года (см. выше) его солнечной батареи. На крыше, по-видимому, таунхауса (во всяком случае на другой стороне нью-йоркской улицы, видны таунхаусы с похожими крышами) на деревянных козлах стоит внешне вполне современная солнечная батарея общей площадью примерно 10 кв. м, состоящая из четырех одинаковых блоков, в каждом из которых было по семь солнечных панелей.
К сожалению, про Чарлза Фриттса и судьбу его изобретения мало что известно. О его генераторе электричества из солнечного света писали местные нью-йоркские газеты, в которых журналисты, не вникая в научные и технические подробности, но по сути правильно и доходчиво объяснили публике принцип его работы: «Видели лампочку Эдисона? Она пожирает электричество. А здесь все наоборот!»
Как известно, принципиальная возможность получать электричество из света (фотогальвалинический, или, как его еще называют, фотовольтаический эффект) продемонстрировал еще в 1839 году Александр Беккерель 18-ти лет от роду. В отцовской лаборатории этот юный представитель славной семьи Беккерелей, давшей в XIX веке Франции и миру четыре поколения физиков мирового класса, обнаружил, что под действием яркого света в цепи, состоявшей из металлических (золотых, платиновых, медных в разных вариантах опыта) пластин в электролите, под действием прямого солнечного света стрелка гальванометра фиксировала появление ЭДС. Отец доложил результаты опытов сына на заседании Парижской академии наук, их опубликовали в «Записках Академии», так что о том, что солнечный свет способен производить электричество, сомнений у ученых с тех пор не было.
Правда, у них не было и объяснения эффекта Беккереля, и не было его еще очень долго. Ситуация в теории не изменилась и после того, как ученые исследовали электрические свойства химических элементов полупроводников. Зато она коренным образом преобразовалась в практической электрофизике. Полупроводниками эти элементы собственно и назвали только потому, что они вели себя в электрической цепи не так, как металлы-проводники и не как диэлектрики.
Прежде всего ток при определенных обстоятельства и в ограниченных количествах они проводили, а сопротивление в них с температурой не росло, а падало, но — главное! — они демонстрировали фотовольтаический эффект, причем не такой вялый, как металлы-проводники в банке с электролитом у Беккереля. Им вообще не нужна была для этого жидкая среда электролита, они сами по себе показывали возникновение в себе ЭДС на солнце. Особенно явно демонстрировал это селен, причем в паре с металлом-проводником фотовольтаический эффект был более выраженным.
Объяснения, почему это происходит, по-прежнему не было, оно появится спустя полвека, а в окончательном виде — только через сто лет после опытов Александра Беккереля. Но когда не увязанные концы с концами в теории останавливали изобретателей? Так было и на этот раз. Принципиальная схема твердотельного генератора электричества под действием солнечного света была очевидной и простой: надо раскатать потоньше селен, покрыть его пленкой металла-проводника, желательно не окисляющегося на свежем воздухе, и выставить на солнце. Что, собственно, и сделал Чарлз Фриттс.
Сам Фриттс оценивал эффективность своих селеновых солнечным панелей как вполне пригодную для генерации электричества для бытовых и даже промышленных нужд. По современным оценкам, КПД его панелей был 1-2%, что для начала было совсем неплохо (у современных массовых панелей средний КПД – 13%). Плохо было только то, что панели Фриттса были дорогими в производстве. Но не только по этой причине в конце XIX века не получилось энергетики а ля Грета Тунберг. Все в целом было тогда против солнечных батарей. Похоже, это был тот самый случай, когда Фриттс со своим изобретением оказался не в том месте и не в то время.
Прежде всего пока не обнаружено даже следов патентов Фриттса на его солнечные батареи, хотя известны его патенты на разные усовершенствования в области передачи электричества (например, U.S. Patent №383,520, полученный им в 1888 году). Возможно, историки техники плохо искали, но не исключено, что Фриттс даже не подавал заявок на патенты. Зато известно, что образцы своих солнечных панелей он отправил «европейскому Эдисону» Вернеру фон Сименсу с просьбой передать их на рассмотрение в Прусскую академию наук в Берлине. Вообще-то, судя по имени Чарлз Фриттс был этническим Карлом Фрицем, но в данном случае, конечно же, никакой дискриминации по национальному признаку не было, просто был крайне неудачный момент для продвижения солнечных батарей как промышленных источников электричества.
Сименс публично похвалил «научно далеко идущее значение» изобретение Фриттса и призывал к «тщательному исследованию, чтобы определить, от чего зависит электродвижущее световое действие селеновых панелей». Но внимание ученых и простого народа было занято первой паровой электростанцией, построенной Эдисоном в том же Нью-Йорке в 1882 году. Разумеется, в викторианскую эпоху пара и прогресса никто всерьез не воспринимал слова Фриттса о том, что его панели скоро составят конкуренцию электрогенераторам Эдисона, тем более что на горизонте уже явно просматривались первые турбинные ТЭС.
А инженерная мысль относительно солнечных батарей сделала зигзаг, включив в конструкцию солнечной батареи фототермоэлемент, работающий на принципе Зеербека, то есть ток в нем возникает при повышении температуры. Вслед за Архимедом, который по легенде две тысячи лет назад сжег римский флот солнечным светом с помощью параболических зеркал, свет с помощью линз концентрировали на термопаре металлов, которые и генерировали ток. Зачем конструкторы отказались от прямого пути получения электричества непосредственно из солнечного света, выбрав путь с посредником, генерирующим ток при нагревании, — тут логику изобретателя проследить трудно, в патентной заявке никто свои логические умозаключения не описывает. Можно только предположить, что в те годы, когда физический механизм фотовольтаического эффекта по-прежнему был вещью в себе, таким способом инженеры надеялись поднять КПД солнечной батареи Фриттса.
Во всяком случае в двух первых патентных заявках 1888 года на такую солнечную батарею Эдварда Вестона (U.S. Patent 389,124 и U.S. Patent 389,425) написано: «Термоэлектрический элемент из разнородных металлов, размещенные бок о бок, везде изолированы друг от друга и соединенные на одном конце, и является электрогенерирующим устройством… Электродвижущая сила будет представлять собой сумму электродвижущих сил токов, создаваемых несколькими элементами, и будет увеличиваться до максимума пропорционально повышению температуры… Поскольку, однако, для практических целей нецелесообразно создавать поверхность термоэлемента очень большой площади, я концентрирую солнечный луч на поверхности термоэлемента с помощью любого известного устройства для этой цели, такого, например, как зеркала или линзы, так что относительно более высокая температура и, следовательно, большая энергия на единицу площади поверхности., может быть достигнута».
Изобретателем был, напомним, Вестон, отнюдь не энтузиаст-новичок, а один из крупных специалистов своего времени по электротехническим сплавам, гендиректор Edison-Swan United Electric Lighting Co, а затем и президент Американского института инженеров по электротехнике (ныне знаментый IEEE), получивший за свою долгую жизнь аж 334 патента. Подобные вестоновскому патенты на солнечные батареи с термоэлементами получили до Первой мировой войны еще не менее дюжины изобретателей, потом как отрезало, стало не до солнечных батарей. Но и запатентованные дальше в лучшем случае опытных образцов не пошли, а то и вовсе остались в виде чертежей и описаний.
К солнечной батарее в буквально смысле, то есть подобной фриттсовской, ученые вернулись в самом конце 1930-х годов, только теперь она была не селеновая, а кремниевая, и так уж получилось, что ее изобретение было попутным. Рассел Ол, работавший в подразделении Bell Labs, которое занималось полупроводниковыми транзисторами, в 1939 году открыл p-n-переход, и это открытие дало полное понимание физического механизма фотовольтаического эффекта (как частного случая) и фотоэлектрического эффекта в целом. Ученые и инженеры наконец могли с открытыми глазами работать над совершенствованием солнечных батарей на полупроводниках.
Читайте в нашем журнале:
История Sharp: как механический карандаш повлиял на становление гиганта электроники