Как солнечные батареи завоевывают мир. Краткая история

#Технологии
АП
Ася Петухова

Мы продолжаем наш рассказ о том, как создавались солнечные батареи. В предыдущей части речь шла о первых изобретениях, придуманных еще в XIX веке и о научных прорывах первой половины прошлого столетия. Дальнейший успех солнечных панелей стал возможен благодаря Расселу Олу, открывшему p-n-переход и объяснившему фотоэлектрический эффект в целом.

Интересно, что в нашей стране независимо от Рассела Ола в 1941 году p-n-переход открыл профессор Вадим Лашкарев в киевском институте физики АН УССР, где он тоже занимался полупроводниковыми транзисторами. Интересной судьбы был человек. Он заведовал лабораторией дифракции электронов в Ленинградском физико-техническом институте, откуда его за увлечение спиритизмом забрали в НКВД в 1935 году и отправили на пять лет в ссылку в Архангельск. По воспоминаниям знаменитого хирурга Николая Амосова, который был у него студентом в Архангельске, профессор действительно «верил абсолютно в спиритизм, телепатию, телекинез, левитацию, полтегрейст, йогу», что, впрочем, не мешало ему быть физиком мирового класса.

Оба ученых — и Ол, и Лашкарев — в годы Войны работали на нужды армии: Лашкарев разработал медекислые диоды для армейских радиостанций, Ол делал по сути такие же диодные детекторы для армейской связи и радаров. А после победы ни у того, ни у другого не возникло желания вернуться к идее солнечных батарей. Разница между ними была лишь в одном: Рассел Ол успел подать патентную заявку на кремниевую солнечную батарею 27 мая 1941 года, точнее такую заявку на его имя подал его работодатель Bell Labs, в 1946 году патент U.S. Patent  №2402662A с приоритетом от 1941 года был выдан Олу. Профессор Лашкарев ничего в этом плане не успел сделать. 22 июня того же года Третий Рейх напал на Советский Союз.

Кремниевую солнечную батарею промышленного образца с КПД 6% сделало уже следующее поколение физиков Bell Labs. Патентную заявку на Solar energy converting apparatus («Конвертор солнечной энергии») на имя его разработчиков Дэрила Чапина, Калвина Фуллера и Джеральда Пирсона подал 3 мая 1954 года опять же их работодатель — Bell Telephone Laboratries Inc. 

17 марта 1958 в космос улетел спутник США Авангард-1 с их солнечными батареями. А 15 мая вышел на орбиту наш «Спутник-3» с солнечными батареями, созданными во ВНИИ источников тока. Кто именно делал их, в СССР было покрыто грифом секретности, а сейчас, судя по отсутствию этих сведений даже на сайте института, никого это не интересует. Там только сказано, что все делалось под руководством директора института.

Вот как раз насчет роли дирекции в патентовании солнечных батарей в Америке интересные вещи рассказывал Рассел Ол на восьмом десятке лет, когда он уже жил на покое в калифорнийском городке Виста близ Сан-Диего. На вопрос: «Помните ли вы свою реакцию на работу Парсона, Фуллера и Чапина, когда она была опубликована?» — он ответил: «В этом-то и было все дело. У меня была длинная переписка с компанией AT&T по этому поводу, и главный инженер компании, наконец, признался мне, что когда встал вопрос о патентоспособности, они посчитали, что в их изделии достаточно новизны, чтобы получить на него патент. Они ведь связали всю свою рекламную кампанию  солнечной батареи с этим их патентом, а фактически это был патент на усовершенствование моего основного патента».

«Это было решение топ-менеджмента в корпорации: главного инженера AT&T, президента Bell Laboratories, главы отдела рекламы, глава патентного отдела и так далее, — продолжал Ол. — Просто такая политика компании, люди, которые работали над этим, вообще не имели права голоса. Нам даже не сообщили об их решении. Когда была опубликована реклама, Джим Фиск (ключевой сотрудник Bell Labs в области создания радара, в 1959 г. – президент Bell Labs), который был очень прямолинейным и честным человеком, встал перед журналистами, и рассказал о моей ранней работе над этим проектом и о том, как это превратилось в транзистор, солнечную батарею и все такое прочее. Но потом, когда появилась реклама, они вырезали все мои работы. Я так и не узнал почему, но они все это вырезали, как будто кто-то взял нож или топор и просто обезглавил мою раннюю работу».

В другом интервью примерно того же времени Рассел Ол рассказал, как накануне его отъезда из Холмдела (то есть увольнения Ола из Bell Labs) ему позвонил патентный поверенный Western Electric и сказал: «Я только что наткнулся на этот ваш патент. Я просто хотел, чтобы вы знали, что за двадцать лет работы в компании я никогда не видел такого широкого охвата». «Ну и что в этом хорошего? — горько заметил мистер Ол. — Никто его не признал, только моя компания и только потому, что это касалось заработной платы, она признала этот патент научной публикацией, как и любую другую публикацию».

Словом, драматической для изобретателей была история создания солнечных панелей. Создатель «нулевого» поколения солнечных панелей даже не рискнул получить на них патент. А изобретателя их первого поколения просто вычеркнули из истории техники ради рекламной кампании. Его обиду понять можно, но солнечная энергетика становилась большим бизнесом, и ничего личного в нем не могло быть. Что было потом — от топливного кризиса на Западе в 1970-е годы, ставшего толчком для создания батарей второго поколения, и вплоть философии современной «зеленой энергетики в наши дни  — все знают. В 2020 году солнечные панели на Земле произвели около 3% мирового электричества, что не так уж и мало.

Пока на рынке солнечных батарей доминируют кремниевые солнечные батареи, известные уже более полувека; КПД у них достигает 25,6%, а срок службы — более 25 лет. Сам кремний дешевый, но технология производства кремниевых батарей стоит пока что дорого, например, требуются «чистые» помещения, что и обуславливает высокую цену готового продукта. Кроме того, существует фундаментальное ограничение (предел Шокли-Квиссера), согласно которому КПД солнечных батарей такого типа не может превышать 34%. Увы!

Второе поколение солнечных элементов, в которых кремний не используется и на которые ограничение Шокли-Квиссера не распространяется, создавался с использованием так называемых тонкопленочных тандемных гетероструктур на основе галлия, мышьяка, индия, олова и азота. Эти элементы имеют высокую эффективность — до 46%. Но в их производстве используются токсичные химикаты, технология изготовления гетероструктур сложная, да и подбор материалов слоев представляет собой нетривиальную научную задачу.

Сейчас инженеры и ученые работают над ячейками третьего поколения, принцип конструкции которых основан на том, что в результате поглощения кванта света краситель-сенсибилизатор переходит в возбужденное состояние и инжектирует электрон в зону проводимости полупроводника. Электроны из зоны проводимости собираются на электроде (как правило, это стекло с прозрачным проводящим покрытием), далее проходят через внешнюю цепь и поступают на противоположный электрод, где принимают участие в обратной реакции восстановления окисленного медиатора. Величина фототока зависит от спектральных, окислительно-восстановительных свойств сенсибилизатора и медиатора, эффективности инжекции заряда и структуры полупроводникового электрода, а также от эффективности фотокатода, выступающего в качестве электрокатализатора. Теоретическое значение КПД для сенсибилизированных красителями ячеек составляет 33,3%.

Впрочем, все это теория, а практика такова, что в той же Европе цена на «солнечную» электроэнергию составляет 0,15-0,29 евро/кВт час, в то время как цена энергии из традиционных источников — 0,02-0,035 евро/кВт час. Но если исходить из хронологии прошлых прорывов (50-60 лет между ними), то уже пришло время новой прорывной технологии в области солнечной энергетики. Будем надеяться, что это произойдет скоро, потому что солнечная энергетика дело хорошее, удобное, а порой даже незаменимое.

Читайте в нашем журнале:

История Sharp: как механический карандаш повлиял на становление гиганта электроники

Какую роль сыграли патенты в японском экономическом чуде

Генеалогия принтера

Заглавное фото: Flickr

Ася Петухова
Онлайн Патент
#Технологии
Спасибо! Мы перезвоним вам в ближайшее время!