Первые солнечные элементы от Bell Laboratories

Солнечные батареи, превращающие солнечный свет в электрический ток, возникли более ста лет назад, хотя ранние солнечные батареи были слишком неэффективны, чтобы быть полезными. Но уже в апреле 1954 года исследователи из Bell Laboratories продемонстрировали первый практический кремниевый солнечный элемент. В этом году мы празднуем 70-летие этого события.

История солнечных элементов достигает ранних наблюдений фотоэлектрического эффекта в 1839 году. Французский физик Александр-Эдмон Беккерель, сын физика Антуана Сезара Беккереля и отец физика Анри Беккереля, работал с металлическими электродами в растворе электролита, когда заметил, что небольшие электрические токи производятся, когда металлы подвергаются воздействию света, но он не мог объяснить.

Спустя несколько десятилетий, в 1873 году, английский инженер Виллоуби Смит обнаружил фотопроводность селена при испытании материалов для подводных телеграфных кабелей. В 1883 году американский изобретатель Чарльз Фриттс изготовил первые солнечные элементы из селена. Хотя Фриттс надеялся, что его солнечные батареи смогут конкурировать с угольными электростанциями Эдисона, они были менее чем на один процент эффективны при превращении солнечного света в электричество и, следовательно, не очень практичны. В течение нескольких десятилетий продолжались некоторые исследования селеновых фотоэлектрических устройств, и было найдено несколько применений, но они не получили широкого применения.

Следующий крупный прогресс в технологии солнечных батарей был сделан в 1940 году Расселом Шумейкером Олом, исследователем полупроводников в Bell Labs. Он исследовал несколько образцов кремния, один из которых имел трещину посередине. Он подметил, что в этом конкретном образце под действием света через него протекал ток. Эта трещина, которая, вероятно, образовалась при изготовлении образца, фактически обозначала границу между областями, содержащими разные уровни примесей, поэтому одна сторона была положительно легирована, а другая сторона отрицательно легирована. Оль нечаянно совершил p-n-переход, основу солнечной ячейки. Избыточный положительный заряд скапливается с одной стороны p-n барьера, а лишний отрицательный заряд скапливается с другой стороны барьера, создавая электрическое поле. Когда фотоэлектрическая ячейка подключена к цепи, входящий фотон, попадающий на клетку, может затем передать электронную энергию и инициировать течение тока. Ол запатентовал свой солнечный элемент, эффективность которого составила примерно один процент.

Первый практический кремниевый солнечный элемент был создан тринадцатью годами позже группой ученых, работавших вместе в Bell Labs.

В 1953 году инженер Дэрил Чапин, ранее работавший над магнитными материалами в Bell Labs, пытался разработать источник питания для телефонных систем в отдаленных влажных местах, где сухие батареи слишком быстро разряжались. Чепин исследовал несколько альтернативных источников энергии и остановился на солнечной энергии как на одном из самых перспективных. Он попробовал селену солнечные батареи, но обнаружил их слишком неэффективными.

Между тем, химик Келвин Фуллер и физик Джеральд Пирсон работали над управлением свойствами полупроводников путем введения примесей. Фуллер дал Пирсону кусок кремния, содержащий примеси галлия. Пирсон погрузил его в литий, создав p-n-переход. Затем Пирсон подключил амперметр к куску кремния и посветил его светом. Амперметр значительно подскочил, к их удивлению.

Пирсон, знавший о работе Чепина, ушел и сказал своему другу не тратить больше времени на селеновые солнечные элементы, и Чепин немедленно перешел на кремниевые ячейки.

Затем эти трое работали несколько месяцев над улучшением свойств своих кремниевых солнечных элементов. Одна из проблем заключалась в том, что было сложно установить хороший электрический контакт с кремниевыми элементами. Другая проблема заключалась в том, что при комнатной температуре литий со временем мигрировал через кремний, удаляя p-n-переход дальше от солнечного света. Чтобы решить эту проблему, они попробовали разные примеси и наконец остановились на мышьяке и бору, которые создали p-n-переход, который оставался у поверхности. Они также обнаружили, что они смогли установить хорошие электрические контакты с продаваемым боро-мышечным кремнием. После некоторых других усовершенствований дизайна они соединили несколько солнечных элементов, чтобы создать то, что они назвали солнечной батареей.

Bell Labs объявила об изобретении 25 апреля 1954 года в Мюррей-Хилл, Нью-Джерси. Они продемонстрировали свою солнечную панель, используя ее для питания маленького игрушечного колеса обзора и питающегося от солнечной энергии радиопередатчика.

Эти первые кремниевые солнечные батареи имели примерно 6 процентов эффективности при превращении энергии солнечного света в электричество, что является огромным улучшением по сравнению с любыми предыдущими солнечными элементами.

New York Times писала, что кремниевая солнечная батарея «может ознаменовать начало новой эры, которая в конечном итоге приведет к осуществлению одной из самых заветных мечтаний человечества – использование почти безграничной энергии солнца для нужд цивилизации».

Первые кремниевые солнечные батареи были дорогими в производстве, и первые усилия по коммерциализации поначалу не имели большого успеха. Но спустя несколько лет солнечные батареи начали широко использовать для питания спутников, а затем и другие приложения.

Вскоре Чапин упростил процесс изготовления кремниевых солнечных элементов и разработал научный эксперимент с солнечными элементами для учащихся средней школы. В 2008 году Чепин, Фуллер и Пирсон были включены в Национальный зал славы изобретателей.

Сегодня солнечные батареи используются в разных устройствах, от карманных калькуляторов до солнечных панелей на крыше. Усовершенствованные конструкции и современные материалы позволили создать солнечные батареи с эффективностью более 40 процентов, а исследования и разработки продолжаются с целью снижения стоимости и повышения эффективности, чтобы сделать солнечную энергию конкурентоспособнее по сравнению с ископаемым топливом.

По материалам aps.org