В последние десятилетия человечество всё активнее использует солнечные батареи как источник энергии. А кто придумал эти батареи?
Да, во многих странах мира альтернативным источником энергии становятся солнечные батареи, принцип действия которых основан на фотоэлектрическом эффекте. Что это за эффект? Говоря примитивно, часть испущенных Солнцем элементарных частиц – фотонов, или световых квантов, как первоначально назвал их Альберт Эйнштейн, поглощается поверхностью элемента (батареи) и там, в полупроводниковых материалах, генерируется электроток.
Учёные считают, что если накрыть солнечными панелями десять процентов пустыни Сахары, то на нашей планете полностью отпадёт необходимость атомных электростанций. А использование солнечной энергии всеми странами стабильно обеспечило бы потребность человечества в энергетике.
Собственно, примерно таким видел будущее ещё в 1912 году создатель первых прототипов солнечных батарей итальянский химик армянского происхождения, профессор Болонского университета Джакомо Чамичан: «На засушливых землях будут возникать промышленные колонии без дымящихся труб; […] стеклянные здания будут расти везде; внутри них будут проходить фотохимические процессы, которые до настоящего времени были неведомой тайной растений. […] И если в недалёком будущем запасы угля будут полностью исчерпаны, цивилизация не пропадёт, а будет существовать до тех пор, пока светит солнце».
Впрочем, у солнечной электроэнергетики есть свои недостатки, в том числе довольно низкая эффективность, ещё более снижающаяся в вечернее и ночное время, потребность в больших площадях, высокие издержки, а соответственно, и высокая цена. Но учёные и инженеры работают над повышением КПД солнечных панелей.
Первым же, кто открыл фотовольтаический эффект, способ конвертирования световой энергии в электрическую (а произошло это в 1842 году), был французский физик Александр-Эдмон Беккерель.
На подступах к открытию находились в конце XIX века и другие учёные и практики. В частности, английский инженер-электрик Уиллоуби Смит, который в 1873 году обнаружил фотопроводимость селена (то есть, увеличение его электрической проводимости под действием излучения), но не сумел сформулировать природу явления. В 1883 году американский учёный Чарльз Фриттс тоже не всё понял в этой особенности селена, но воспользовался наработками Беккереля и первым успешно создал работающую солнечную ячейку, покрыв селен тонким слоем золота. Только вот КПД у его «золотой» батареи был ничтожным – лишь один процент, и об изобретении американца вскоре забыли.
Но не о самой идее. Несколько лет спустя Джакомо Чамичан продемонстрировал первые прототипы солнечных панелей. А его «наследникам» помог более глубоко изучить явление фотопроводимости Альберт Эйнштейн. Опираясь на гипотезу немецкого физика-теоретика Макса Планка о квантовой природе света, он дал в 1905 году научное объяснение сути фотоэффекта, за что в 1921 получил Нобелевскую премию.
Применить новые знания на практике удалось лишь в 1948 году – сотрудникам американской Bell Laboratories (сейчас это финско-американская корпорация) Кельвину Фуллеру, Дэрилу Чапину и Геральду Пирсону. Они создали первые, действующие на основе кремния, солнечные панели. Правда, коэффициент их полезного действия тоже был крайне низким – из всего солнечного света, падающего на кремниевую подложку, в электричество преобразовывалось только 4-6 процентов. Тем не менее, компания в 1954 году начала их производство, продолжая совершенствовать конструкцию.
И уже в 1958 году солнечные батареи были установлены на американском спутнике Vanguard («Авангард-1»), который был запущен 17 марта. Через два месяца, 15 мая 1958 года, запустили спутник («Спутник-3»), получавший энергию от солнечных батарей на корпусе, и в СССР. Ну а сегодня этот вариант энергоснабжения использует любой спутник на орбите и в дальнем космосе.
Современные солнечные панели, которые производят и с тонкой плёнкой халькогенидов (химических соединений, обладающих фотополупроводниковым свойством), и с нанокристаллическим кремнием, и фотохимическими на основе органических красителей, и многими другими, обладают уже гораздо большим КПД – спустя десятилетия этот показатель удалось довести до 20-30 процентов. При этом они бывают самыми разнообразными по размеру и виду, например, «солнечным деревом» – конструкцией с «кроной» из солнечных панелей.
Сегодня такие батареи используют в авиации, медицине, в дорожном покрытии, в водонагревателях и портативных электронных устройствах, на гелиостанциях, для энергообеспечения зданий и целых населённых пунктов.
Маргарита Дорштейн, РГ/РБ