Солнечная батарея — это ключевой элемент, который собирает и накапливает энергию солнечного света, чтобы впоследствии преобразовать её в электричество или тепло для дальнейшего использования. Направление энергетики, занимающееся такими технологиями, — гелиоэнергетика — считается одним из наиболее перспективных и динамично растущих. В данной статье речь пойдёт о солнечных батареях, основанных на фотоэлектрических преобразователях (в отличие от коллекторных систем).
Основу таких батарей составляют фотоэлементы — полупроводниковые устройства, способные напрямую превращать солнечное излучение в электрический ток.
Что такое солнечная батарея и как она работает?
Солнечная батарея — это совокупность множества соединённых между собой фотоэлектрических преобразователей. На сегодняшний день фотоэлементы признаны наиболее эффективным способом прямого преобразования солнечной энергии в электрическую, если рассматривать исключительно энергетические характеристики. Их главное преимущество заключается в одноступенчатом процессе преобразования, что минимизирует потери. Теоретически КПД таких систем может достигать 90%, однако на практике рекордные показатели остановились на отметке около 40%. При этом учёные считают вполне достижимым рубеж в 50%.
Работа фотоэлемента базируется на фотовольтаическом (фотоэлектрическом) эффекте. Он возникает в неоднородных полупроводниковых структурах под воздействием солнечных лучей, что приводит к генерации электрического напряжения.
Факторы, влияющие на эффективность и основные потери
КПД преобразования энергии зависит в первую очередь от электрофизических свойств самой полупроводниковой структуры и оптических характеристик фотоэлемента. Важную роль играет и фотопроводимость — увеличение электропроводности материала под действием света, обусловленное внутренним фотоэффектом.
Однако в процессе работы неизбежны значительные потери энергии:
- Часть солнечного света просто отражается от поверхности элемента.
- Другая часть проходит сквозь преобразователь, не поглощаясь и не превращаясь в полезную энергию.
- Энергия теряется при рассеивании избыточной энергии фотонов на тепловых колебаниях кристаллической решётки материала (нагрев).
- Свою долю «съедает» внутреннее электрическое сопротивление самого фотоэлемента.
Эти и другие, менее очевидные факторы, существенно снижают итоговый, полезный КПД солнечной батареи.
Пути повышения эффективности солнечных батарей
Для борьбы с потерями и увеличения КПД учёные и инженеры постоянно разрабатывают и внедряют различные усовершенствования. К основным направлениям работ можно отнести:
- Поиск новых материалов: Исследование и применение полупроводников с улучшенными физическими параметрами, которые оптимально подходят для преобразования солнечного спектра.
- Улучшение существующих структур: Модернизация свойств уже используемых полупроводниковых материалов для повышения их эффективности.
- Конструктивная оптимизация: Усовершенствование геометрии и архитектуры самих фотоэлектрических преобразователей.
- Специальные покрытия: Нанесение оптических покрытий, которые улучшают просветление (уменьшают отражение), обеспечивают терморегуляцию и защищают элемент от деградации (например, в космосе).
- Расширение спектра поглощения: Создание преобразователей, способных улавливать и преобразовывать длинноволновую (инфракрасную) часть солнечного спектра, которая обычно проходит сквозь обычные элементы без пользы.
Отдельным перспективным направлением является разработка преобразователей с двусторонней чувствительностью. Они могут улавливать не только прямой солнечный свет, но и отражённый от поверхности (например, от земли или снега), что потенциально способно увеличить выработку энергии на 80% по сравнению с традиционными односторонними панелями.
Ещё более революционной выглядит концепция многослойных (каскадных) преобразователей. В них используются специальные светоделители, которые разлагают широкий солнечный спектр на несколько узких спектральных диапазонов. Каждый такой диапазон затем направляется на отдельный, специально подобранный для него фотоэлемент, что позволяет значительно повысить общий КПД системы.