ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

РАЗВИТИЕ РАБОТ ПО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСТВУ.. ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС

Фотоэлектричество как отрасль науки имеет долгую историю. Еще в 1839 г. французский физик А. Е. Беккерель, работая с электролитами, обнаружил фото­электрический эффект. В 1873 г. В. Смит обратил внимание на тот факт, что се­лен проявляет фотопроводящие свойства. Позднее, примерно через 14 лет, ра­ботая с открытым резонатором, Генрих Герц наблюдал интересную закономер­ность. Он заметил, что если на цинковые разрядники направить поток ультра­фиолетового излучения, то прохождение искры облегчается. Позднее было по­казано, что энергия вылетающего с поверхности электрона строго зависит от частоты поступающего излучения, в то время как от интенсивности облучения не зависит. Это противоречило положениям господствующей в то время клас­сической электродинамики.

Позднее фотоэффект детально изучал русский физик А. Столетов, кото­рый в результате сделал несколько интересных открытий и сформулировал первый закон внешнего фотоэффекта. Однако первый фотоэлемент был создан только в 1883 году Чарльзом Фриттсом на селене, покрытом тонким слоем зо­лота. КПД такого фотоэлемента не превышал 1%.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) принято называть испускание электронов веществом под воздействием света. Электроны, выле­тающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а образуемый ими электрический ток называется фототоком.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты (или длины вол­ны света) называют спектральной характеристикой фотокатода.

Схематически внешний фотоэффект изображен на рис. 2.1.

©

В результате многолетних исследований были сформулированы основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе света, па­дающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энерге­тической освещенности катода (иначе — число фотоэлектронов, выби­ваемых из катода за 1 секунду, прямо пропорционально интенсивности света).

2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлек­тронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света v„, при которой фотоэффект еще на­блюдается.

4. Фотоэффект безынерционен. С начала облучения металла светом до начала вылета фотоэлектронов проходит время t < 10'9с.

Объяснить фотоэффект удалось Альберту Эйнштейну в 1905 г. на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. Именно за это открытие, а вовсе не за создание теории относительности, в 1921 г. он был удостоен Нобе­левской премии. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза. Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, а Эйнштейн пошел дальше — он предположил, что свет и существует только в ви­де этих квантованных порций.

Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц - фотонов следует, что

hv^Aout

где Аои1 - так называемая работа выхода (минимальная энергия, необходимая

/иг2

для удаления электрона из вещества); —---------- кинетическая энергия вылетающе­

го электрона; v— частота падающего фотона с энергией Лг; И - постоянная Планка.

Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона бу­дет недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла.

Смысл формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества, т. е. на работу, которую необходимо совершить для того, чтобы «вырвать» электрон, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

Исследования фотоэффекта были одними из первых квантово-механи­ческих исследований. Благодаря этим исследованиям было получено экспери­ментальное подтверждение, что свет помимо волновых свойств обладает и кор­пускулярными свойствами.

Таким образом, квантовая теория света полностью объясняет явление внешнего фотоэффекта.

Однако различают два вида фотоэффекта:

1) внешний (о котором мы только что говорили) - вырывание электронов из поверхности твердого тела под действием света;

2) внутренний — изменение электропроводимости полупроводников и ди­электриков под действием света.

Термин «фотоэлектрический» происходит от греческого «фотос», что означает «свет», и «вольтовый», то есть электрический, по имени итальян­ского физика А. Вольта, в честь которого называется единица электродви­жущей силы - вольт. Термин «фотоэлектрический» используется в англий­ском языке с 1849 г.

Именно внутренний фотоэффект, а точнее процесс разделения генери­руемых квантами света электронно-дырочных пар на р-р переходе, лежит в ос­нове процесса генерации электрического тока в фотоэлементах.

Современный фотоэлемент запатентовал Russell Ohl (Рассел Оль) (U. S. Patent 2,402,662 «Light sensitive device»). Оль запатентовал современное уст­ройство полупроводникового солнечного элемента. Однако еще раньше Свен Асон Верглунд (Sven Ason Berglund) предложил метод повышения чувстви­тельности фотоэлемента.

Современная история фотоэнергетики исчисляется с 1954 г., когда со­трудники лаборатории компании Bell случайно обнаружили, что кремний, ле­гированный некоторыми примесями, имеет чрезвычайно высокую фоточувст­вительность. Это привело к созданию первого практического фотоэлемента. В 1954 г. американцы Пирсон, Фуллер и Чаплин запатентовали первый фотоэле­мент с вполне приемлемым (порядка 6%) КПД.

В СССР первые работы по созданию фотоэлектрических преобразователей проводились в Физико-техническом институте Академии Наук (г. Ленинград). Руководил этими работами знаменитый академик А. Ф. Иоффе.

В 1938 г. два его аспиранта (Юрий Маслоковец и Борис Коломиец) созда­ли первый фотоэлемент. КПД получаемых тогда сернисто-таллиевых элементов не превышал 1 %. Однако академик А. Ф. Иоффе, бессменный руководитель ин­ститута, ученик знаменитого Рентгена, сразу же осознал значение полученных результатов. Уже тогда он предложил разработать государственную программу по «выстиланию» такими фотоэлементами крыш зданий. Тогда это предложе­ние смотрелось как утопия и поддержки не получило. Однако сегодня мы знаем об успешной реализации в разных странах проектов под названием «1000 сол­нечных крыш» (Германия), «70 000 солнечных крыш» (Япония), «Миллион крыш» (США) и т. д.

Позднее работы по разработке и выпуску фотоэлектрических преобразо­вателей в СССР получили интенсивное развитие во Всесоюзном научно­исследовательском институте источников тока (ВНИИТ, г. Москва), который обеспечивал решение задачи по обеспечению энергией всех космических объ­ектов, запускаемых в Советском Союзе.

Здесь необходимо отметить огромную роль в развитии этого направления науки и техники в СССР Николая Степановича Лидоренко, доктора техниче­ских наук, профессора, члена-корреспондента Академии Наук СССР (впослед­ствии Российской Академии Наук, РАН). Его имя неразрывно связано с разви­тием советской космической фотоэнергетики, равно как и с развитием ВНИИТа, позднее переименованного в НПО «Квант», где он работал с 1950 по 1986 год в должности Генерального директора и Главного конструктора.

В 1958 г. солнечные батареи на кремниевых фотоэлементах впервые были установлены на третьем советском спутнике (а также и на американском спут­нике «Авангард»). С тех пор солнечные элементы стали основным источником энергии на всех космических аппаратах на околоземной орбите.

До последних дней Н. С. Лидоренко был активен, продолжал сотрудниче­ство с многочисленным отрядом своих учеников и сподвижников. Оказывал поддержку молодым ученым, работающим в самых разных организациях. На рис. 18.135 Н. С. Лидоренко с группой сотрудников во время его визита во Все­российский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

В 1970 г. в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе коллективом сотрудников под руководством Жореса Ивановича Алферова был создан фото­элемент на основе арсенида галлия, который имел высокий КПД. Здесь под ру­ководством Ж. И. Алферова сформировался коллектив талантливых ученых, плодотворно работающих в области получения и исследования полупроводни­ковых многослойных гетероструктур (рис. 18.136). В дальнейшем Ж. И. Алфе­ровым, академиком РАН, лауреатом Нобелевской премии, была создана науч­ная школа и сформировано новое направление, связанное с созданием теории и практики получения, исследования и применения в различных отраслях науки и техники многослойных, так называемых «каскадных» структур на основе со­единений АшВу. Эти устройства нашли широкое применение в различных от­раслях науки и техники. Одна из таких отраслей - фотоэнергетика, где эти структуры открывают широкие возможности для существенного повышения КПД фотоэлементов за счет более полного использования всего спектра сол­нечного излучения и повышения эффективности работы солнечных элементов при использовании концентрированного солнечного излучения (за счет концен­траторов солнечной радиации).

Во ВНИИТе в 1967-1969 гг. были разработаны первые в мире солнечные фотоэлектрические установки с фацетными концентраторами, которые исполь­зовались для электроснабжения автономных объектов в Армении (рис. 18.150) и в Туркменистане (рис. 18.151).

В 1975 г. во ВНИИТе был создан отдел наземной солнечной энергетики, которым в течение 12 лет руководил Заместитель Главного конструктора ВНИИТа Д. С. Стребков. За эти годы были разработаны и внедрены сотни сол­нечных фотоэлектрических установок для автономного электроснабжения реч­ных буев и морских маяков, водоподъемных установок, сейсмических станций, специальных потребителей. На рис. 18.152 и 18.153 представлена солнечная фотоэлектрическая водоподъемная установка электрической мощностью 650 Вт с системой слежения за Солнцем в пустыне Кара-Кумы (Туркменистан, 1985 г).

В 1986 г. в Туркменской базовой лаборатории ВНИИТа в г. Ашхабаде была запущена в эксплуатацию солнечная фотоэлектрическая станция с пара­болоцилиндрическим концентратором (рис. 18.154 и 18.155) электрической мощностью 10 кВт, работающей на энергосистему.

В США первый эффективный солнечный элемент с КПД 17% был произ­веден в промышленных количествах в 1988 г. корпорацией Applied Solar Energy Corporation (ASEC).

К середине 70-х годов КПД солнечных элементов на кремнии во всем ми­ре и в СССР, в частности, достиг величины порядка 10%. Далее в течение дли­тельного периода этот показатель оставался на том же уровне. Для использова­ния в космических аппаратах такой уровень эффективности преобразования солнечного излучения рассматривался как достаточный.

Серьезным стимулом для развития фотоэнергетики во всем мире послу­жили два мировых энергетических кризиса. В этот период работы по солнечной фотоэнергетике были вновь интенсифицированы, а акцент в этих работах был сделан на повышение эффективности солнечных элементов на кремнии, одном из самых распространенных в природе элементов и наиболее представленном на рынке сырьем.

Советский Союз в этот период не испытывал серьезных проблем с энер­горесурсами, в частности, с нефтью и природным газом. Это и стало причиной того, что работы по фотоэлектрическим преобразователям в СССР должного развития не получили. Сведения о сформировавшихся на этот период организа­циях, вовлеченных в разработку и производство солнечных элементов или мо­дулей, приведены в таблице 2.1.

В этот период рост объемов производства продукции на этих предприя­тиях и в этих организациях сдерживался, главным образом, практически пол­ным отсутствием потребителей на рынке. Цены на производимую продукцию были достаточно высоки, а низкие тарифы на традиционные энергоносители не способствовали росту спроса на солнечные элементы и модули. Более того, платежеспособность населения и юридических лиц оставалась низкой.

В начале 1990-х годов, несмотря на значительные достижения российской науки и техники в области фотоэлектричества, это направление вовсе перестало получать финансовую поддержку от государства. Вследствие этого завоеван­ные в предыдущие годы позиции стали теряться. Это касается в первую оче­редь наземной фотоэнергетики, в области которой в период двух энергетиче­ских кризисов зарубежные компании развили интенсивную деятельность и ста­ли бить рекорды как по технико-экономическим показателям, так и по объемам производства изделий фотоэлектричества.

Только благодаря усилиям отдельных энтузиастов работы по фотоэле­ментам в России не только не заглохли, но и получили определенное развитие. Именно благодаря их активности в настоящее время в России существует ряд вполне современных предприятий по производству солнечных элементов и мо­дулей, продукция которых пользуется спросом на рынке, в том числе, со сторо­ны зарубежных потребителей. Более того, именно в России был выполнен ком­плекс исследований, позволивших создать солнечные элементы на основе кремния нового типа (например, матричные солнечные элементы) и фотоэлект­рические модули с удвоенным по сравнению со стандартным сроком службы, которые будут рассмотрены в последующих главах книги.

Ко второй половине 1990-х годов прошлого столетия фотоэлектричество стало самостоятельной и перспективной отраслью промышленности. В связи с этим Россия, несмотря на некоторые научные достижения в недалеком про­шлом, стала терять свои лидирующие позиции. Возникла необходимость заку­пать за рубежом не только оборудование для фотоэнергетики, но и технологии производства фотоэлектрических элементов и модулей.

Для решения этой проблемы в 1996 г. Министерством науки и тех­нологий РФ в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограммы «Экологически чистая энергетика» был начат проект «Создание высокоэффективных кремниевых фо­топреобразователей и модулей с удельными параметрами более 160 Вт/м2 и 140 Вт/м2 соответственно и развертывание их опытно-промышленного произ­водства с объемом 300 кВт/год». Головным предприятием по проекту была оп­ределена научно-производственная фирма «Кварк» (г. Краснодар). В 1998 г. проект был завершен. Была разработана оригинальная технология изготовления солнечных элементов и модулей с КПД до 16%.

Следует отметить, что даже в трудные годы отсутствия государственной поддержки благодаря активности энтузиастов появились предприятия, способ­ные воспринять для внедрения новые технологии производства фотоэлектриче-

ской продукции. Поэтому технология, разработанная в опытно-промышленном масштабе, была внедрена в производство на фирме «Солнечный ветер» (г. Краснодар). Характеристики выпускаемой продукции соответствовали луч­шим мировым образцам. Одновременно эта технологии была внедрена и на производственной базе ЗАО «ОКБ завода «Красное знамя» (г. Рязань).

Д. С. Стребковым была предложена таблица ключевых достижений в об­ласти фотоэнергетики [63] (таблица 2.2).

В дальнейшем ситуация на рынке фотоэлектричества стала последова­тельно меняться. Производители фотоэлементов и модулей, освоившие про­грессивные технологии, начали производить продукцию высокого качества и поставлять ее по сравнительно низким ценам. Поэтому резко возрос объем за­казов из-за рубежа. Особенно бурно объем заказов начал расти после принятия в некоторых странах ЕС (особенно в Германии) законодательных актов, стиму­лирующих приобретение и установку у себя в домах небольших по мощности фотоэлектрических станций. Спрос на ФЭ и модули резко возрастает, и россий­ские производители начинают наращивать объемы выпуска продукции. Изме­няется состав предприятий, специализирующихся в области производства сол­нечных элементов и модулей. Наибольшие темпы роста демонстрируют пред­приятия с частной формой собственности, создаваемые, как правило, группой инициативных частных лиц, работавших ранее в этой или смежных отраслях.

Эти предприятия начинают активно развиваться. Производство солнеч­ных элементов и солнечных модулей в России в 2005 г. составило уже 12,6 МВт (это примерно 0,75 - 0,90% от общемирового объема).

Производственные мощности начали концентрироваться в основном в трех регионах (рис. 2.2).

S Краснодарский край ® Москва и область ^Рязанская область

ООО «Хевел» (совместное предприятие ГК «Ренова» и ОАО «Роснано») готовится к вводу в эксплуатацию крупнейшего в Европе завода по производ­ству тонкопленочных фотоэлектрических модулей для солнечной энергетики, расположенного в Новочебоксарске (Чувашия)[1]. ООО «Хевел» создано летом 2009 г. для развития в России производства тонкопленочных солнечных моду­лей. Доля «Роснано» в уставном капитале ООО «Хевел» составляет 49%, «Ре­новы» -51%.

В рамках проекта предполагается создать предприятие полного цикла по выпуску солнечных модулей мощностью один миллион солнечных модулей в год, что соответствует 130 МВт в год. В производстве должны быть использо­ваны новые мировые разработки в производстве «тонких пленок». В качестве базовой планируется использовать технологию тонкопленочных фотоэлементов на основе микроморфного кремния, разработанную мировым лидером солнеч­ной энергетики - компанией Oerlikon Solar (Швейцария).

Реализация проекта, если его удастся реализовать, должна способствовать стимулированию вспомогательных производств, в частности, производства особо чистых технических газов и специального стекла на территории России. В то же время авторам представляется, что при реализации проекта такого масштаба и такого характера в России надо тщательно рассмотреть ситуацию на российском рынке фотоэлементов, оценить спрос на эту продукцию и воз­можности экспорта, а также провести соответствующие подготовительные ме­роприятия.