Перші сонячні елементи від Bell Laboratories

Сонячні батареї, які перетворюють сонячне світло в електричний струм, виникли більше ста років тому, хоча ранні сонячні батареї були надто неефективними, щоб бути корисними. Але вже у квітні 1954 року дослідники з Bell Laboratories продемонстрували перший практичний кремнієвий сонячний елемент. Цього року ми святкуємо 70-у річницю цієї події.

Історія сонячних елементів сягає ранніх спостережень фотоелектричного ефекту в 1839 році. Французький фізик Александр-Едмон Беккерель, син фізика Антуана Сезара Беккереля і батько фізика Анрі Беккереля, працював з металевими електродами в розчині електроліту, коли помітив, що що невеликі електричні струми виробляються, коли метали піддаються дії світла, але він не міг пояснити ефект.

Через кілька десятиліть, у 1873 році, англійський інженер Віллоубі Сміт виявив фотопровідність селену під час випробування матеріалів для підводних телеграфних кабелів. У 1883 році американський винахідник Чарльз Фріттс виготовив перші сонячні елементи з селену. Хоча Фріттс сподівався, що його сонячні батареї зможуть конкурувати з вугільними електростанціями Едісона, вони були менш ніж на один відсоток ефективні при перетворенні сонячного світла в електрику і, отже, не дуже практичні. Протягом наступних кількох десятиліть тривали деякі дослідження селенових фотоелектричних пристроїв, і було знайдено кілька застосувань, але вони не отримали широкого застосування.

Наступний великий прогрес у технології сонячних батарей був зроблений у 1940 році Расселом Шумейкером Олом, дослідником напівпровідників у Bell Labs. Він досліджував кілька зразків кремнію, один із яких мав тріщину посередині. Він помітив, що в цьому конкретному зразку під дією світла через нього протікав струм. Ця тріщина, яка, ймовірно, утворилася під час виготовлення зразка, фактично позначала межу між областями, що містять різні рівні домішок, тому одна сторона була позитивно легована, а інша сторона негативно легована. Оль ненавмисно зробив p-n-перехід, основу сонячної комірки. Надлишковий позитивний заряд накопичується з одного боку p-n бар’єру, а надлишковий негативний заряд накопичується з іншого боку бар’єру, створюючи електричне поле. Коли фотоелектрична комірка підключена до ланцюга, вхідний фотон, який потрапляє на клітину, може потім передати електрону енергію і ініціювати течію струму. Ол запатентував свій сонячний елемент, ефективність якого становила приблизно один відсоток.

Перший практичний кремнієвий сонячний елемент був створений тринадцятьма роками пізніше групою вчених, які працювали разом у Bell Labs.

У 1953 році інженер Деріл Чапін, який раніше працював над магнітними матеріалами в Bell Labs, намагався розробити джерело живлення для телефонних систем у віддалених вологих місцях, де сухі батареї надто швидко розряджалися. Чепін досліджував кілька альтернативних джерел енергії та зупинився на сонячній енергії як на одній із найперспективніших. Він спробував селенові сонячні батареї, але виявив їх надто неефективними.

Тим часом хімік Келвін Фуллер і фізик Джеральд Пірсон працювали над керуванням властивостями напівпровідників шляхом введення домішок. Фуллер дав Пірсону шматок кремнію, що містить домішки галію. Пірсон занурив його в літій, створивши p-n-перехід. Потім Пірсон під’єднав амперметр до шматка кремнію та посвітив його світлом. Амперметр значно підскочив, на їхній подив.

Пірсон, який знав про роботу Чепіна, пішов і сказав своєму другові не витрачати більше часу на селенові сонячні елементи, і Чепін негайно перейшов на кремнієві комірки.

Потім ці троє працювали кілька місяців над покращенням властивостей своїх кремнієвих сонячних елементів. Одна з проблем полягала в тому, що було складно встановити хороший електричний контакт із кремнієвими елементами. Інша проблема полягала в тому, що при кімнатній температурі літій з часом мігрував крізь кремній, віддаляючи p-n-перехід далі від сонячного світла. Щоб вирішити цю проблему, вони спробували різні домішки та врешті-решт зупинилися на миш’яку та бору, які створили p-n-перехід, який залишався біля поверхні. Вони також виявили, що вони змогли встановити хороші електричні контакти з боро-миш’яковим кремнієм, який продається. Після деяких інших удосконалень дизайну вони з’єднали декілька сонячних елементів, щоб створити те, що вони назвали «сонячною батарею».

Bell Labs оголосила про винахід 25 квітня 1954 року в Мюррей-Хілл, Нью-Джерсі. Вони продемонстрували свою сонячну панель, використовуючи її для живлення маленького іграшкового колеса огляду та радіопередавача, що живиться від сонячної енергії.

Ці перші кремнієві сонячні батареї мали приблизно 6 відсотків ефективності при перетворенні енергії сонячного світла в електрику, що є величезним покращенням у порівнянні з будь-якими попередніми сонячними елементами.

New York Times писала, що кремнієва сонячна батарея «може ознаменувати початок нової ери, яка зрештою призведе до здійснення однієї з найзаповітніших мрій людства — використання майже безмежної енергії сонця для потреб цивілізації».

Перші кремнієві сонячні батареї були дорогими у виробництві, і перші зусилля з комерціалізації спочатку не мали великого успіху. Але через кілька років сонячні батареї почали широко використовувати для живлення супутників, а потім і інші застосування.

Незабаром Чапін спростив процес виготовлення кремнієвих сонячних елементів і навіть розробив науковий експеримент із сонячними елементами для учнів середньої школи. У 2008 році Чепін, Фуллер і Пірсон були включені до Національної зали слави винахідників.

Сьогодні сонячні батареї використовуються в різноманітних пристроях, від кишенькових калькуляторів до сонячних панелей на даху. Удосконалені конструкції та сучасні матеріали дозволили створити сонячні батареї з ефективністю понад 40 відсотків, а дослідження та розробки продовжуються з метою зниження вартості та підвищення ефективності, щоб зробити сонячну енергію більш конкурентоспроможною порівняно з викопним паливом.

За матеріалами aps.org