Илон Маск - "Забудьте о солнечных батареях. Мир на пороге нового открытия"

По словам Илона (Элона) Маска (Elon Reeve Musk), 46-летнего миллиардера, основатель, владельца, генерального директора и главного инженера SpaceX; главного разработчика (Chief Product Architect), генерального директора и главы совета директоров Tesla Inc., "Наступает время, когда мы должны отказаться от исчерпавшего себя проекта и обратить своё внимание на идущую на смену поистине революционную технологию, способную обеспечить человечество энергией на столетия вперёд."

Эти слова он произнёс на ежегодном собрании выпускников МТИ (Массачусетский Технологический Институт, Massachusetts Institute of Technology, MIT), отвечая на вопрос о дальнейших перспективах развития возобновляемых источников энергии в общем и солнечной энергетики - в частности.

"Мы слишком увлеклись одним из направлений [технологий - ред.], совершенно упустив из виду наличие других вариантов и возможностей. Настало время признать допущенные ошибки и со всей энергией приступить к новым исследованиям и прорывам" - добавил Маск.

По его мнению, на лидирующие позиции в мире в ближайшие годы выйдет т.н. темновая (или, как её называют неофициально, лунная) батарея,  в замен/противовес не оправдавшей возлагавшихся на неё надежд солнечной.

Как видно из приведённой схемы солнечной батареи, она состоит из 4-х обязательных элементов (собственно модуль (или панель), контроллер, инвертор, аккумуляторная батарея), связанных между собой электрическими линиями (шинами).

Такая архитектура является весьма громоздкой, вследствие чего не обеспечивает должной надёжности. Кроме того, её элементы, будучи сами по себе весьма дорогостоящими, вдобавок требуют периодического обслуживания и замены. Особенно это касается аккумуляторной батареи.

Добавив к этому невысокую удельную мощность (что препятствует использованию как источника энергии для техники, которая потребляет большую мощность), необходимость первоначальных больших инвестиций, низкий уровень КПД (14-15%), критическую зависимость эффективности работы от погодных условий и климата, требование  большого количества вспомогательной техники и больших площадей для размещения, получим в итоге совсем нерадужную картину..

Следует учитывать и то обстоятельство, что производство и особенно утилизация аккумуляторных батарей и солнечных модулей являются чрезвычайно энергоёмкими и наносящими экологический вред.

В общем, несмотря на все достоинства таких установок (неиссякаемость и вседоступность источника энергии, возможность масштабирования (наращивания), автономность, независимость от цен на топливо после ввода в эксплуатацию), минусы тут  скорее перевешивают плюсы.  

Однако наука не стоит на месте, и совсем недавно, буквально год назад, успехом завершилась серия работ интернациональной группы молодых учёных, сумевших превратить один из недостатков солнечных панелей в их достоинство. 

Речь идёт о т.н. темновых (паразитных) токах, возникающих в процессе выработки электроэнергии в классической солнечной батарее и существенно снижающих её КПД.

Чтобы понять, в чём тут дело, рассмотрим подробнее, как устроен модуль, преобразующий солнечный свет в собственно электричество, и что именно там происходит.

Так выглядит солнечный преобразователь в разрезе

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний, обладающий дырочной проводимостью . Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния(Si), например с примесью фосфора(P), являющегося донором, т.е. источником носителей заряда  - электронов.

Противоположная сторона (слой) легирован примесью другого типа - акцепторной, поглощающей (принимающей) электроны, вследствие чего в этой области возникает их дефицит. В качестве акцепторной примеси обычно используют индий (In) или алюминий (Al).

На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. 

У границы n-(с избытком свободных электронов, отрицательно заряженных) и p-(с дефицитом электронов, положительно заряженных) слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Донорные и акцепторные примеси

Возникший на переходе потенциальный барьер препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП (фотоэлектрический преобразователь) солнечным светом. Когда СЭ (солнечный элемент) освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой . В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение. 

Схема классического  p-n перехода

Необходимо отметить, что большинство современных солнечных элементов обладают одним p-n-переходом. В таком элементе свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не используются.

Существуют и более совершенные многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше. В типичном многопереходном солнечном элементе одиночные фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом поглощаются фотоны с наибольшей энергией.

Однако вследствие технологических сложностей при их создании цена такого элемента не позволяет надеяться на их сколь-нибудь широкое применение.

Отрицательному полюсу источника тока в СЭ соответствует n-слой, а p-слой - положительному.

За счёт туннельного эффекта часть основных носителей заряда всё же может преодолеть барьер, образуя паразитный ток, получивший название темнового, т.к. протекает он независимо от наличия или отсутствия внешней освещённости.

С этим током всячески боролись на протяжении десятков лет.

Но, как часто это бывает, вчерашняя помеха неожиданно стала источником новых возможностей.

Всё дело в том, что какой ток является "паразитным", а какой  - "полезным", это всего лишь вопрос терминологии.

В пластине полупроводника всегда одновременно идут два противонаправленных процесса  - поглощение фотонов с последующим образованием свободных носителей, и их (носителей) рекомбинация, т.е. слияние электрона и дырки с образованием электрически нейтрального атома.

Как оказалось, если правильно подобрать легирующие примеси (см. выше), процесс рекомбинации начинает преобладать!!

При этом через границу протекает ток, обусловленный основными носителями, концентрация которых на порядки больше, чем неосновных (в данной области).

Рекомбинируя, эти носители взаимно нейтрализуют друг друга, "подтягивая" тем самым из внутренних областей следующую порцию. Одновременно высвобождается энергия, в виде фотонов, образующих спектр излучения, полностью идентичный солнечному.

Таким образом,  фактически получается два в одном  - источник высококачественного света и источник электроэнергии.

Изюминкой процесса является то, что для его инициации не требуется внешнего воздействия (затрат энергии). 

Система работает при нулевой освещённости, за что, собственно, она и получила своё название - лунная ( в противовес солнечной) батарея.

По окончании легирования он (процесс) запускается автоматически и длится до тех пор, пока элемент включён во внешнюю цепь. Размыкание цепи приводит к остановке, замыкание  - к новому запуску.

Более того, при правильно подобранной ширине запирающего слоя генерируется не постоянный, а переменный ток, в диапазоне от 12-ти до 600-т ГЦ (устанавливается один раз, при изготовлении, и не подлежит изменению), что позволяет исключить из схемы все элементы, кроме собственно источника и нагрузки (потребителя).

И теперь о самом главном - лигатурах, позволяющих добиться такого эффекта.

О них известно только то, что p-зона формируется из атомов одного из изотопов бронзы (Bz), а n-зона  - из изотопов латуни (Lt).

Нужный эффект возникает только и исключительно при точно подобранном соотношении этих изотопов. По некоторым данным, оно составляет 0.596 к 0.404 в стехиометрии Bz-Lt.

На данный момент именно это является ключевым ноу-хау, говорящим более чем достаточно для тех, кто понимает...