Проект Программы нашей партии ставит перед наукой задачу разработать способы превращения различных видов энергии, в том числе и солнечной, в электрическую. Над этой проблемой трудятся сейчас коллективы многих лабораторий. Речь идет о том, чтобы превратить гелиоэнергетику в самостоятельную крупную область техники. Выдающиеся ученые мира, в том числе Фредерик Жолио Кюри, считают, что гелиоэнергетика выступит достойным соратником атомной энергетики. Но на этом пути ученых ожидают еще большие поиски. О них и пойдет речь в статье.
Солнечную батарею хочется сравнить с волшебной палочкой, оживляющей космические корабли. Умные приборы начинают рассказывать человеку о тайнах космоса только после того, как по их «жилам» потечет электрический ток. А его появлению мы обязаны солнечным батареям. Прямое превращение «бесплатной» энергии солнечного света в наиболее удобную для приборов электрическую энергию, практически бесконечный срок службы, высокая стойкость ко всякого рода встряскам и ударам - все это делает солнечные батареи незаменимыми для полетов в космос да и для многих земных дел.
Уже сейчас среди разнообразных источников тока солнечные батареи занимают заметное место. Какие же перспективы ожидают их в будущем? В 1954 году коэффициент полезного действия солнечных батарей составлял 6%, а в 1960 году эта цифра возросла уже до 14%. Этот коэффициент - а он показывает, какая доля мощности солнечного света, падающего на батарею, превращается в электрический ток, - можно поднять еще выше. Однако для него существует определенный теоретический предел. Для кремниевых батарей он составляет 22%.
Позволяет ли конструкция солнечной батареи преодолеть этот рубеж? Новейшие научные исследования не только положительно отвечают на наш вопрос, но и указывают на оригинальные конструктивные возможности в этом направлении. О них и пойдет речь.
РАЗВЕ КРЕМНИЙ - САМЫЙ ЛУЧШИЙ?
Как выбирается материал для солнечной батареи? Чтобы понять это, нам придется познакомиться с еще одной характеристикой - величиной запрещенной зоны полупроводникового вещества. Это длинное название расшифровывается довольно просто. Оно означает количество энергии, которое нужно сообщить электрону в полупроводниковом кристалле, чтобы он оторвался от «родного» атома и перешел в подвижное, беспокойное, но очень полезное семейство свободных электронов. Если мы захотим наглядно изобразить смысл предыдущей фразы, то нам придется нарисовать длинный пустой ров, который электрон должен «перепрыгнуть», чтобы очутиться на свободе.
Этот ров и называется запрещенной зоной, а ширина его определяет величину энергии, способную заставить электрон работать на нас. Измеряют эту энергию в единицах, называемых электронвольтами.
Каждый электрон, покидающий атом, оставляет на своем месте положительный заряд, или так называемую «дырку». Образование свободного электрона является первым и самым важным моментом в работе солнечной батареи. После этого мы уже имеем два типа зарядов - положительные и отрицательные, и нам останется лишь отвести их на достаточное расстояние друг от друга, чтобы затем они беспрепятственно попали к своим полюсам. Ясно, что чем больше число возникших свободных электронов, тем выше эффективность батареи.
Проникая в глубь кристалла, порции солнечной энергии - кванты - способны заставить электрон оторваться от атома. Но в солнечном спектре есть кванты самых разнообразных энергий. Для каких же из них подбирать полупроводник? Естественно, что выгоднее использовать энергию квантов видимой части спектра, так как их больше всего в солнечном излучении. Расчеты показывают, что полнее всего такие кванты сможет уловить полупроводник с запрещенной зоной «шириной» в 1,5 электронвольта.
В то время, когда создавались первые солнечные батареи, не было материала, который бы лучше кремния удовлетворял этому условию. Но «ширина» запрещенной зоны кремния составляет всего 1,2 электронвольта. В последние годы появился ряд искусственно созданных полупроводников, чья запрещенная зона значительно ближе к подсказываемому теорией значению. Подобные полупроводники получили название интерметаллических. К ним относятся, например, сернистый кадмий, теллуристый кадмий, фосфористый индий и другие. От солнечных батарей, сделанных из этих материалов, можно ждать предельного КПД порядка 25%. Но рост КПД всего на 3% не удовлетворяет ученых. И, конечно, они не остановились на этом.
ОСВОЕНИЕ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ
Мы уже говорили, что для работы солнечной батареи наиболее выгодно использовать энергию видимой части солнечного спектра. А как влияет ультрафиолетовое и инфракрасное излучение? Первое сообщает электронам твердого тела настолько большую энергию, что они, на большой скорости перескочив запрещенную зону, сталкиваются с атомами кристаллической решетки и отдают им свою энергию в виде тепла. В противоположность этому энергии инфракрасного излучения просто не хватает, чтобы электрон смог совершить свое путешествие.
Сам собой напрашивается вывод для полезного использования ультрафиолетового излучения необходимо увеличить запрещенную зону, а для инфракрасного - значительно уменьшить ее. Казалось бы, такие условия взаимно исключают друг друга. Но, оказывается, их можно примирить.
Не использовать ли полупроводник с достаточно широкой запрещенной зоной, чтобы сна была «впору» для ультрафиолетовых квантов, а для остальных сделать своего рода «подпорки», на которые можно было бы опереться при переходе «рва» - запрещенной зоны? Для видимого излучения хватит, наверно, одной «опоры» посредине «рва», для инфракрасного их придется сделать две - на равных расстояниях от «берегов».
Для такой «усовершенствованной» запрещенной зоны все кванты окажутся полезными. На цветной вкладке показано, как по мере «освоения» запрещенной зоны перед электроном «открываются все дороги». Солнечная батарея из такого улучшенного материала получила название много переходной. Роль «опор» должны выполнять примеси различных веществ, только их нужно ввести в исходный материал очень осторожно, чтобы они «застряли» в запрещенной зоне на строго определенных уровнях.
Расчеты подтверждают, что поверхность такой батареи использует солнечный свет гораздо более полно, чем поверхность обычной батареи. Предельно возможный КПД здесь возрастает до 65 %! Решающее слово теперь за экспериментом.
«МНОГОЭТАЖНАЯ» БАТАРЕЯ
Есть еще одна идея, реализация которой сулит значительное улучшение солнечных батарей. Если полупроводник, использующий ультрафиолетовое излучение, будет прозрачен для видимых и инфракрасных лучей, то, положив под ним батарею, работающую в этих, еще не использованных областях спектра, мы дополнительно «выжмем» из солнечного луча немало электрической энергии. Если же нижняя батарея преобразует только видимый свет и прозрачна для инфракрасного, то еще ниже можно поместить и третью батарею, «питаемую» инфракрасным излучением. Последовательно разложив солнечный спектр на части, мы используем их все без исключения.
Конечно, будущее многослойной батареи зависит от успехов в разработке новых материалов, но даже известные сегодня полупроводники позволяют начать практическое осуществление этой идей. Подтверждением может служить такой хорошо знакомый оптикам факт. Полированный кремний, идущий для изготовления солнечных батарей, которые работают в видимой области спектра, пропускает более 50% инфракрасного излучения. Это излучение может быть эффективно использовано батареей из германия.
Сделаны вычисления, показавшие, что «слоеный пирог» из трех батарей будет иметь теоретический КПД 40%. Разумеется, на практике и здесь будут свои трудности, но когда перспективы столь заманчивы, стоит работать! Коэффициент полезного действия (КПД) современных полупроводникозых солнечных батарей имеет теоретический «потолок» - 22%. Для энергетической установки такое ограничение довольно жесткое. Еще бы: 78% даровой энергии Солнца, а практически и больше должно пропадать впустую! Физики предложили несколько интересных идей с целью увеличить теоретический (то есть предельно возможный) КПД солнечной батареи.
Обычная полупроводниковая батарея использует только видимую часть излучения Солнца. Ультрафиолетовые и инфракрасные лучи она не превращает в электрический ток. Поэтому можно пытаться сконструировать многослойную батарею, в которой каждый слой работал бы от одной из частей спектра, пропуская все остальные лучи. В этом случае теоретический КПД возрастает до 40%.
Использовать спутники видимого света можно и другим путем. Вводя в полупроводник нужные примеси, можно подбирать «по росту», то есть по величине энергии в каждом излучении, размер так называемой запрещенной зоны батареи. Запрещенная зона - это энергетический «ров», который должны преодолевать электроны, отрывающиеся от своих атомов и вливающиеся в круговорот электрического тока в цепи. Ультрафиолетовые лучи способны заставить электрон сразу «перепрыгнуть» через запрещенную зону. Если же электрон «подталкивается» видимыми лучами, можно сделать одну «подпорку», а если инфракрасными-то две. Теоретический КПД здесь может достигать целых 65%. Справа внизу на графике показаны кривые изменения этой величины.
