Превращение солнечной энергии в электрическую при помощи фотоэлементов известно уже давно. Однако до самого последнего времени никто не рассматривал возможности положить, это явление в основу действия электростанции. На первый взгляд такое предложение; может показаться дикой фантазией. Для того чтобы создать электростанцию мощностью 1000 МВт, надо настелить солнечные ячейки — так называют фотоэлементы, специально приспособленные для превращения солнечной энергии в электрическую, — на площадь 6 х 6 км2. И это в такой солнечной местности, как пустыня Сахара! A, скажем, в средней Европе, где солнечных дней не так уж много, площадь должна быть по крайней мере удвоена. Чистая фантазия, — воскликнет читатель; и в какую сумму обойдется такая электростанция!
Справедливое возражение. Но бросьте на другую чашу весов достоинства этого способа получения энергии. Мы не тратим никакого земного вещества и не загрязняем среду какими бы то ни было отходами. Не являются ли эти два довода столь сильными, чтобы заняться всерьез исследованием создания как можно более дешевых солнечных ячеек, а также способов оптимального размещения ячеек и фокусировки солнечных лучей? Многие исследователи убеждены не только в том, что проблема заслуживает серьезного внимания, но надеются, что именно на этом принципе и будут работать электростанции будущего. Так полагает и автор этой книги. Не исключено, что через несколько лет именно эту задачу назовут проблемой номер один.
Не преждевременен ли подобный оптимизм? Как обстоит дело сегодня? Прежде всего надо рассмотреть, какие солнечные ячейки может предложить промышленность уже сейчас.
Напомним рис. 6.4 принцип превращения солнечной энергии в электрический ток.
Ячейка состоит из полупроводникового р-n-слоя, зажатого между металлическими электродами. Солнечный свет создает свободные электроны и дырки, которые контактным напряжением отправляются в противоположные стороны и образуют ток.
Освоены три типа подобных ячеек. Гомоконтактные, в которых р-n-бисквит создается легированием кремния. Диффузионным процессом создается тонкий (0,3 мкм) n-слой и относительно толстый (300 мкм) р-слой. Гетероконтактные ячейки состоят из двух разных полупроводников. На металлическую подкладку напыляется n-слой сульфида кадмия толщиной 20–30 мкм, и химическими способами на его поверхности создается p-слой сернистой меди толщиной 0,5 мкм. Третий тип ячеек использует контактное напряжение между арсенидом галлия и металлом, разделенными тончайшей (0,002 мкм) пленкой диэлектрика.
Для оптимального использования энергии всего солнечного спектра подходят полупроводники с энергией связи электрона около 1,5 эВ. В принципе можно достичь к. п. д. солнечной ячейки 28 %.
Кремниевые гомоконтактные ячейки, которые обладают рядом технических преимуществ и изучены наиболее детально, дают к. п. д. от 11 до 15 %. Кремниевые солнечные ячейки производятся уже более двадцати лет. Материалом служит, кварцевый песок (окись кремния), из которого получают чистый кремний. Из него изготовляются монокристаллы толщиной 0,3 мм, имеющие форму круглой шайбы. В последние годы разработан процесс получения монокристаллической ленты. Хорошо освоена технология введения примесей, которая позволяет создавать в кремниевой шайбе p-слой. Для того чтобы солнечные лучи отражалась от кремния как можно меньше, поверхность покрывается тонкой пленкой окиси титана. При интенсивности света 100 мВт/см2 шайба создает напряжение 0,6 В. Плотность тока короткого замыкания равна 34 мА/см2. Различными способами можно собирать ячейки в батареи. Налажено производство кремниевых монокристаллических шайб диаметром 5–7,5 см. Их закрепляют между пластинами стекла. Соединяя их, можно собрать достаточно мощный источник тока.
Но возможна и разработка такого технологического процесса, при котором будут производиться ячейки много большей площади.
Главная причина, которая мешает в настоящее время использовать солнечные ячейки для промышленного получения энергии, — это дороговизна. Она вызывается необходимостью получения монокристаллической ленты высокого качества.
Возлагаются большие надежды на изготовление солнечных ячеек из тонких поликристаллических слоев. Такой процесс будет недорогим, но к.п.д. существенно понизится. Работа по поиску дешевых методов получения эффективных солнечных ячеек находится в самом разгаре.