«В
СОВЕТСКОМ СОЮЗЕ СОЗДАН НОВЫЙ ТИП СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ. В
ОДНОМ ИЗ ВАРИАНТОВ ЭТИХ БАТАРЕЙ ПРИ ОБЫЧНОМ СОЛНЕЧНОМ ОСВЕЩЕНИИ УЖЕ ПОЛУЧЕНО
ДО 100 ВОЛЬТ НАПРЯЖЕНИЯ, А В ДРУГИХ ПРИ БОЛЬШИХ СВЕТОВЫХ ПОТОКАХ СОЗДАВАЕМЫХ
ПАРАБОЛИЧЕСКИМИ КОНЦЕНТРАТАМИ, МОЖНО ПОЛУЧАТЬ ТОК СИЛОЙ ДО 0,5 АМПЕРА И МОЩНОСТЬЮ
6,9 ВАТТА С КВАДРАТНОГО САНТИМЕТРА РАБОЧЕЙ ПЛОЩАДИ.»
ФОТОВОЛЬТ-ИЗОБРЕТЕНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ.
Таких феноменальных результатов добились изобретатели — сотрудники Всесоюзного
научно-исследовательского института источников тока В. В. Задде, кандидат технических
наук А. К. Зайцева, В. С. Косарев и Д. С. Стребков под руководством члена-корреспондента
Академии наук СССР Н. С. Лидоренко и доктора технических наук А. П. Лаидсмаиа,
обратившись к почти забытой теперь конструкции самых первых, несовершенных полупроводниковых
фотоэлементов тридцатых годов. Этот фотоэлемент выглядел очень просто—два полупроводника
р и n-типа, соединенные вместе. Напомним, что одни полупроводники (n-тип) содержат
носители отрицательного заряда — электроны, другие (р-тип) — носители положительного
заряда —«дырки» (по сути дела, это полупроводники, в определенных точках кристаллических
решеток которым не хватает электронов, отсюда и название носителей положительных
зарядов — «дырки»).
На поверхности раздела двух полупроводников создается потенциальный барьер—так
называемый р— n-переход—ворота, которые в одном направлении пропускают свободно
только электроны, а в обратном направлении — только положительные «дырки». Если
на фотоэлемент направить яркий солнечный свет, « концы его соединить проводником,
то электроны и «дырки», возбужденные светом, устремятся в противоположных направлениях,
и по проводнику потечет электрический ток. Чтобы попасть к потребителю электроэнергии,
носителям нужно пройти
от р — п-перехода к контактам. В первых фотоэлементах это расстояние было большим,
и многие электроны и «дырки» по дороге к месту действия нейтрализовали друг
друга. К тому же работала лишь поверхность р— п-перехода, в которую мог проникнуть
солнечный свет, основная же его часть находилась в темноте. Поэтому первые фотоэлементы
имели мизерные к. п. д.—около сотых долей процента—и почти нигде не применялись.
Но уже тогда, сорок лет назад, было известно, что земных запасов угля, нефти
и газа надолго не хватит, и ученые задумывались о необходимости рационального
использования вечного источника—энергии солнца. «Каждый луч света,—писал К.
А. Тимирязев,—не уловленный нами, а бесследно отразившийся назад, в мировое
пространство,— кусок хлеба, вырванный изо рта отдаленного потомка».
В начале пятидесятых годов были созданы кремниевые фотоэлементы с к. л. д. около
десяти процентов. Конструкция их сейчас широко применяется во всех солнечных
батареях.
Один из полупроводников выполнен в виде чрезвычайно тонкой пластинки, сквозь
которую свободно проходит солнечный свет. Это заставляет работать всю площадь
р—n-перехода. Но э.д.с. такого фотоэлемента всего 0,6—0,9 вольта, а обычные
потребители постоянного тока требуют напряжения 100 вольт и выше. Поэтому фотоэлементы
соединяют в огромные батареи, что резко увеличивает потери энергии и уменьшает
надежность работы самих батарей. Можно для этих целей применять электронные
преобразователи постоянно тока, но они пожирают больше половины всей энергии.
Кроме того, малая толщина пластинки одного из полупроводников несколько микрон—играет
и отрицательную роль. Если носителей зарядов будет рождаться много, то все они
не сумеют протиснуться к контактам фотоэлемента. Увеличен толщины пластинки
приводит к тому, что до р—n-перехода будет доходить меньше солнечного света,
а значит, меньше будет рождаться и носителей зарядов. Поэтому, хоть и считается,
что теоретический к.п.д такого преобразователя равен 25 процентам, практически
достигнуть его почти невозможно. Вот почечему ученые скептически относятся использованию
таких солнечных батарей, хотя они и нашли широкое распространение в космической
энергетике из-за простоты, надежное конструкции и безопасностной эксплуатации.
В конце пятидесятых годов японские инженеры получают патент на новый вариант
фотоэлемента. Он состоит из р-слоя, окруженного с трех сторон п-слоем, с четвёртой
— контакт. Второй контакт располагается параллельно первому. Поперечные размеры
такого «коробка» малы: 2Х2 миллиметра, а у значит, что путешествие носители
зарядов к контактам сокращается к. п. д. элемента повышается. Дале: элемент
освещается с двух сторон ток возрастает вдвое. Приставляя «кробок» к «коробку»,
японские исследователи получали батареи с напряжением, в 3—4 раза превышающими
напряжение обычных батарей тех же линейных размеров. Это был шаг на пути к созданию
высоковольтных батарей.
Но изготовление «коробков» и соединение их в батареи работа ювелирная. Ее выполняли
японские девушки—мастерицы микроэлектроники. Работа над новым миниатюрным фотоэлементом
требовала точных движений и большого напряжения зрения. Стоимость «коробка»
была чрезвычайно высока, а для батарей их нужны тысячи. Вот почему от применения
таких преобразователей при шлось отказаться.
Во Всесоюзном научно-иследовательском институте источников тока рассуждали примерно
так. Единственный крупный недостаток у японских «коробков» — необходимость вручную
соединять крошечные элементы в батареи. Надо найти замену человеческим рукам.
Ведь были же изобретены миниатюрные интегральные схемы современных полупроводниковых
приборов! Каких только разнообразных элементов не увидишь на маленькой пластинке!
И все это делается не вручную, а на специальных станках, автоматически. Что
если батарею изготовить наподобие матриц, сот, в ячейках которых будет сидеть
по маленькому «коробку» с р — п-пе-реходом?..
Сотни технологических способов перепробовали исследователи. Пока технология
еще дорабатывается. Но уже сейчас одни из новых высоковольтных фотоэлектрических
батарей при обычном солнечном освещении (800 вт/м2) дают до 100 вольт напряжения,
а в других при больших световых потоках (используются параболические концентраторы
солнечного света) можно получить ток силой до 0,5 ампера и мощностью 6,9 ватта
с квадратного сантиметра рабочей площади.
Новая батарея — это пластина с тысячами микрофотопреобразователей, стоящих торцами
к свету. Раньше, в самой первой конструкции фотоэлемента тридцатых годов такое
расположение было невыгодно, но теперь из-за малых размеров элемента почти все
генерируемые светом носители доходят до контактов. К. п. д. резко возрастает.
«Таких малышек не могли сделать даже в Японии,—говорит один из авторов изобретения
Д. С. Стребкоа,—а у нас все это достигнуто новым технологическим процессом.
Микроэлементы «рождаются» на матрице тысячами одновременно».
Новые батареи «Фото вольт 110/220» демонстрируются на ВДНХ в павильоне «Электротехника»,
а на выставке «Товары народного потребления», организованной в августе этого
года Министерством электротехнической промышленности, можно увидеть первый бытовой
прибор «Фотовольт К20» на матричных батареях. Он напоминает обычный комнатный
рефлектор. Стеклянное параболическое зеркало концентрирует солнечные лучи иа
пяти, размером с лезвие бритвы, фотопреобразователях, помещенных в прозрачный
стакан с водой для охлаждения. Прибор дает два ватта электрической мощности
при дневном солнце. Этого вполне достаточно, чтобы побриться электробритвой,
послушать радиоприемник, а подсоединив аккумуляторы, пользоваться электроэнергией
в любое время суток, как бы далеко вы ни были от своей квартиры
со всеми коммунальными удобствами.
«Фотовольт К-20» будет хорошим помощником геологов и чабанов. Он поможет в труднодоступных
и отдаленных районах получать дешевую электроэнергию. Ориентирные маяки, автоматические
метеорологические станции, снабженные такими устройствами, будут непрерывно
посылать сигналы с гор и пустынь, морей.
Некоторые типы новых батарей имеют линейную зависимость тока и мощности от освещенности.
Разработка и применение концентраторов, увеличивающих мощность световой энергии,
падающей на преобразователь, в тысячу и более раз, резко снижает стоимость солнечных
энергоустановок. Авторы матричных фото-преобразователей надеются создать прибор,
который будет вырабатывать такую же дешевую электроэнергию, как на обычной электростанции.
Мощные концентраторы еще не разрешенная проблема. Изготовление больших зеркал
из стекла трудоемко и дорого. Но уже сейчас ведутся работы по созданию зеркала
из полимерной пленки. Это зеркало представляет собой своеобразный конденсатор,
обкладки которого — металлизированные пленки, натянутые иа широкий обруч, как
на барабане. При заряжении конденсатора, пленки, прогибаясь, притягиваются друг
к другу. Регулируя напряжение, можно изменять форму поверхности пленки — зеркало
готово. Просто и дешево!
Для непрерывного действия солнечной батареи необходимо охлаждение (даже в фокусе
небольшого зеркала •Фотовольта К-20» стакан воды вскипает за полчаса). А это
значит, что как побочный продукт можно получать горячую воду для промышленных
и бытовых целей (стирка белья, приготовление пищи и т. д.).
Близок тот день, когда в пустынях и степях, всюду, где много солнечных дней,
возникнут мощные солнечные электростанции. Солнце искупит свою вину перед пустынями,
превратив их в оазисы, поможет орошать землю. Возникнут новые города и поселки.
Это все произойдет с помощью новых солнечных батарей.
Широчайшее применение матричные фотопреобразователи получат в космосе. Резкое
уменьшение размеров новых батарей по сравнению с существующими той же мощности
приведет к тому, что вес и габариты энергоблоков космической аппаратуры в десятки
раз уменьшатся. Насколько это ценно, говорить не приходится.
Новый вид солнечных батарей имеет несколько типов 'фотолреобразователей с различными
оптическими и электрическими характеристиками. Они найдут широкое применение
в качестве' датчиков температуры и компактных высоковольтных источников питания
для измерительной техники, в приборах ориентации объектов относительно источников
излучения, в системах ввода и считывания информации электронно-вычислительных
машин, при регистрации лазерного излучения большой мощности.
По мере усовершенствования технологии и удешевления стоимости матричных солнечных
батарей возникнут все новые и новые области их применения, новое преобразование
солнечной энергии в электрическую всегда останется главной. Ведь использование
горько одного процента приходящей иа землю солнечной энергии позволит наиболее
естественным образом удовлетворить
