Вплив дефектів на продуктивність селенових сонячних елементів. Селеновий сонячний елемент

Вплив дефектів на продуктивність селенових сонячних елементів

Слайди моєї доповіді про моделювання дефектів в селені та їх вплив на продуктивність сонячних елементів на MRS Spring 2023, Сан-Франциско.

Сподіваємось, що препринт цієї роботи вийде незабаром!

Посилання: Веб-сайт ShakeNBreak: https://shakenbreak.readthedocs.io/en/latest/ Наш загальний пакет розрахунку дефектів doped доступний тут: https://github.com/SMTG-UCL/doped

Дивіться статтю Расмуса Нільсена про селенові сонячні елементи тут: https://doi.org/10.1039/D2TA07729A

Запитання вітаються! Для інших розмов про обчислювальну фотовольтаїку, дефекти та безладдя, подивіться мій канал на YouTube! https://www.YouTube.com/SeanRKavanagh Інші дослідницькі статті дивіться за посиланням: https://bit.ly/3pBMxOG

Колоди від Шона Р. Kavanagh

Катіонний безлад в ABZ₂ халькогенідних фотовольтаїках (NaBiS₂ AgBiS₂) та порушення симетрії на дефектах

Метастабільні дефектні структури та їх вплив на рекомбінацію носіїв (плакат семінару ETH Zürich Defects Workshop 2022)

Інші колоди в дослідженнях

PAKDD2023 Підручник 2: Легкий вступ до технологій, що лежать в основі мовних моделей, та останніх досягнень у ChatGPT (частини 3 і 4)

Транскрипт

102/05/2023Вплив дефектів на продуктивність сонячних елементів у селеніШон КаванаПроф: David O. Скенлон Арон Волш[email protected] (Університетський коледж Лондона, Імперський коледж Лондона) Y.-T. Huang, S. R. Кавана, Д.O. Scanlon, A. Walsh,R.L.Z. Hoye, Nanotechnology 32, 132004 (2021)

202/05/2023Вплив дефектів на продуктивність сонячних елементів у селеніШон КаванаПроф: David O. Скенлон Арон Волш [email protected] (Університетський коледж Лондона, Імперський коледж Лондона) Y.-T. Huang, S. R. Kavanagh, D.O. Скенлон, А. Walsh,R.L.Z. Hoye, Nanotechnology 32, 132004 (2021)

Чому саме селен? Перший матеріал, використаний для фотоелектричних (ФЕ) сонячних елементів, у 1883 році (η 1%). Потім дослідники перейшли до c-Si, CdTe, CZTS/CIGS, перовскітів. Нещодавній сплеск інтересу після десятиліть занедбаності, після роботи Todorovet al. рекордний ККД η = 6.5% у 2017 році. Низькотемпературна обробка розчинів для вирощування, “проста” хімія, ланцюжкова структура може дати доброякісні межі зерен. Широка заборонена зона (~1.9 еВ) підходить для одноперехідних або тандемних фотоелектричних модулів.3

Se фотоелектрична ефективність: Обмежуючий фактор?42Нільсен та ін. J Mater Chem A 2022Рекордна ефективність:1η = 6.5% з Voc= 969 мВТеоретичний максимум η ~ 24% (межа детального балансу)Рекордний Voc2 = 991 мVEg(Se, прямий) = 1.95 еВ➡ Водокількість 600 мВ, що свідчить про те, що нерадіаційна рекомбінація на дефектах є ключовим фактором, що робить внесок.1Тодоров та ін. Nat. Комунікація. 2017

Селен: Об’ємні властивості5 Сильна міжланцюгова vdW-дисперсійна взаємодія ~10% зменшення об’єму при включенні vdW-ефектівТеорія (гібридний DFT vdW)ЕкспериментНапрямок a,b c a,b cПараметр решітки (Å) 4.34 4.96 4.37 4.95Об’єм (Å3) 81.1 81.9εіонні0.63 0.94 0.461 0.621ε∞ (оптичні)6.71 10.28 6.971 11.621Повна (Дж/м2) 0.18 0.17521Danielewicz Coleman Appl. Опт, 1974210.1016/0022-3093(71)90004-4

Селен: Bulk Properties6Se pПряма заборонена зона Eg, dir= 1.83 еВ (за винятком 1.95 еВ)1Непряма щілина Eg, indir= 1.71 еВ (Виняток: 1.85 еВ)2➡ Частковий внесок у Vocдефіцит від непрямого розриву1Nielsen et al. J Mater Chem A 20222th Phys Rev Lett 1979CBM:VBM:Theory = HSE06vdWSOC

Робочий процес розрахунку дефектів15➡ Енергія➡ Концентрація➡ Рівень переходу➡ Глибокий/мілкий➡ Легування➡ Захоплення носіїв➡ Дифузія➡.

Обчислювальна термодинаміка дефектівVBM CBMD1D0D-1Рівень Фермі EF(eV)Енергія утворення ΔHX,q(eV)ε(1/0) ε(0/-1)EFVBMCBMε(1/0) ε(0/-1)Kavanagh, Scanlon, Walsh, Freysoldt Faraday Обговорення 2022

Енергетична діаграма утворення власних дефектів17Sei0 = домінуючий, найнижчий за енергією власний дефект Електрично доброякісний Нейтральний у більшій частині забороненої зони, з негативним U (0/-2) рівнем трохи нижче МД.0-1-20-21Розраховано з допінгом (GitHub.com/SMTG-UCL/doped) ShakeNBreak (shakenbreak.readthedocs.io), використовуючи VASP

Чому Sei0 має таку низьку енергію?Розщеплений інтерстиціальний мотив: Sei0 приєднується до ланцюга Se, який закручується, щоб пристосуватися.Низькоенергетичні вузлуваті зв’язки. залишається нейтральним.18

Енергетична діаграма утворення власних дефектів190-1-20-21Розраховано за допомогою легування (GitHub).com/SMTG-UCL/doped) ShakeNBreak (shakenbreak.ридтедоки.io), використовуючи VASPVSe(0/-1)VSe(1/0)VSe(-1/-2)VSe- Помірна енергія утворення, очікуються низькі, але не незначні концентрації. Кілька рівнів внутрішньощілинних дефектів, які можуть бути активними для рекомбінації носіїв.

Вакантні дефекти (VSe)1:Обрив мостикового ланцюга0 (ΔE = 27 меВ):’Самовідновлений’ланцюг0 і.1:Дві обірвані ланцюги-2:Подовжені зв’язки; “самовідновлюваний” мостик

Енергетична діаграма утворення власних дефектів210-1-20-21Розраховано за допомогою py-sc-фермі= EFAТемпература відпалу = 300 KРівень Фермі (EF) визначається умовою зарядової нейтральності: p ND = n NA-

220-1-20-21= EFДіаграма енергії утворення власних дефектівТемпература відпалу = 463 K (190℃)Розраховано за допомогою py-sc-ферміРівень Фермі (EF) визначається умовою зарядової нейтральності: p ND = n NA-

230-1-20-21= EFДіаграма енергії утворення власних дефектівТемпература відпалу = 1000 КРозраховано за допомогою py-sc-ферміРівень Фермі (EF) визначається умовою зарядової нейтральності: p ND = n NA-

24 Se без домішок. Ізолюючий/слабкий p-тип Велике вікно легування p-типу Висока чутливість до домішок p-типу Легування n-типу неможливе Але експеримент1 бачить ~1016 дірок/см-31Nielsen et al. J Mater Chem A 20220-1-20-21Розраховано з легуванням (GitHub.com/SMTG-UCL/doped) ShakeNBreak (shakenbreak.readthedocs.io), використовуючи VASP= EFSeiVSeAnneal Temperature = 463 K (190℃)

Що ще там є?Потенційні домішки: Галогени є поширеними домішками в халькогенідних матеріалах, часто присутні в прекурсорах постачальників ➡ F, Cl, Br Зазвичай вирощують на телурієвих підкладках ➡ Te Зазвичай відпалюють на повітрі для сприяння кристалізації ➡ O Водень є дуже поширеною домішкою в матеріалах ➡ H Сірка присутня в прекурсорах, може легко зв’язуватися з Se ➡ S25 Експеримент1 бачить ~1016 дірок/см-3 Не через внутрішні дефекти

26Заміни: XSeInterstitials: XiFClBrHOSTeРозраховано з легуванням (GitHub.com/SMTG-UCL/doped) ShakeNBreak (shakenbreak.readthedocs.io) Використання багатих на домішки хімічних потенціалів обмежує ГалогениХалькогениВодень

VSe1: Обірваний містковий ланцюгСтабільні позитивні галогенні інтерстиції?Fi1: два мостикових ланцюжки Se-F зв’язкуFi-1: інтеркальований іон F-1

0.0 0.8 1.6Рівень Фермі (еВ)0.00.51.01.5Енергія утворення (еВ)SeiVSeFi29 Проміжки фтору можуть дещо збільшити концентрацію дірок, але все одно експеримент бачить ~1016 дірок/см-3 Розраховано з легуванням (GitHub).com/SMTG-UCL/doped) ShakeNBreak (shakenbreak.readthedocs.io), використовуючи VASP= EFAnneal Temperature = 463 K (190℃)0.00.51.01.5 SeiVSeFi

Висновки Майбутні кроки Самоінтерналії є нейтральними і доброякісними для рекомбінації, але севакансії можуть захоплювати носії заряду. Явний розрахунок швидкості нерадіаційної рекомбінації Vse ➡ Розробка стратегій пасивації; нерівноважні надлишкові тиски Se? Контроль рівня Фермі під час росту/відпалу? Водень/галогени/халькогени, здається, не є причиною p-типу легування в селені. Ланцюги Se демонструють сильне перезв’язування з чергуванням валентностей, що самокомпенсується. Можливо, пніктогени (N, P, As)? Заміщення халькогену є низькоенергетичними, пніктогени також можуть заміщати і бути недовалентними (- негативно зарядженими)30

Інші результати:Вирівнювання зонНижчий VBM порівняно з Sb2Se3, як і очікувалося (антизв’язуюча взаємодія Sb s. Sep в Sb2Se3 дає підвищений VBM)32

Інші результати: Цікаво, що PBEsol, здається, працює жахливо для цього матеріалу, з корекцією дисперсії D3 vdW або без неї. Дає похибки параметрів гратки ~8%, структура HSE06 на PBEsol дає занижену на 50% ширину забороненої зони порівняно з HSE06 на HSE06 або експериментом, а іонний діелектрик занижений на порядок (знову ж таки порівняно з HSE06 та експериментом, які збігаються) через сильно занижені міжланцюгові відстані (що має велике значення для міжланцюгових взаємодій). PBE має кращі результати, але все ще не дуже (перевірено за результатами Materials ProjectPBE). Помилки близько 3-4% в параметрах решітки як з D3, так і без нього (завищення a,b без D3, заниження з D3). Гібридний DFT з поправкою на дисперсію (HSE06D3) є дуже точним для об’ємних властивостей Se, з іншого боку; дає параметри решітки, що відповідають експерименту до 1%, дуже добре узгоджується з експериментальною шириною забороненої зони (ΔEg і електронні внески)33

Відродження перших у світі сонячних елементів для фотоелектричних систем для приміщень

Перші в світі твердотільні фотоелектричні перетворювачі з’явилися в 1883 році і складалися з селену, що в кінцевому підсумку призвело до розвитку сучасної фотоелектрики, хоча широка заборонена зона селену була обмежувальною для застосування збору сонячного світла.

У своїй нинішній роботі, опублікованій в Досягнення науки, Бін Ян та команда дослідників у галузі хімії, нанотехнологій та матеріалознавства в Китаї переглянули концепцію найстарішого у світі фотоелектричного матеріалу, щоб описати його роль у застосуванні фотоелектричних систем у приміщеннях. Адсорбційний спектр матеріалу ідеально відповідав спектрам випромінювання широко використовуваних джерел світла в приміщеннях. Дослідники використовували селенові модулі для отримання вихідної потужності 232.6 мкВт при освітленні в приміщенні для живлення локалізаційної мітки на основі радіочастотної ідентифікації.

Сфера фотовольтаїки

У 1873 році інженер-електрик Віллоубі Сміт вперше відкрив фотопровідність селену, а Чарльз Фріттс у 1883 році сконструював перші твердотільні сонячні елементи, помістивши селен між металевою фольгою і тонким шаром золота. Низька попередня ефективність перетворення енергії цих ранніх відкриттів поклала початок дослідженням в області фотоелектрики і надихнула на появу сонячних елементів в 1954 році, щоб закласти основу сучасної фотоелектричної промисловості.

До недавнього часу вчені використовували фотоелектрику для перетворення світла в приміщенні в корисну електричну енергію для бездротових пристроїв, таких як датчики, виконавчі механізми і комунікаційні пристрої. У цій роботі Yan et al. показав унікальні переваги використання селену для фотоелектрики в приміщеннях з його досить широкою забороненою зоною і внутрішньою екологічною стабільністю. Команда також розробила селенові модулі для отримання вихідної потужності 232.6 мкВт, для живлення бездротового пристрою інтернету речей для локалізації на основі радіочастотної ідентифікації.

Внутрішня фотоелектрика

Тепер можна живити пристрої інтернету речей, збираючи світло в приміщенні за допомогою внутрішньої фотоелектрики (IPV). Концепція є зростаючою галуззю досліджень, де досліджуються різноманітні технології, включаючи сенсибілізовані барвниками сонячні елементи, органічну фотоелектрику та перовскітні сонячні елементи на основі галогеніду свинцю, на предмет їх функціональності.

Внутрішнє освітлення зазвичай розробляється з урахуванням чутливості людського ока, тому за конструкцією його елементи відрізняються від звичайної зовнішньої фотоелектрики. Коли існуючі властивості селену були поєднані з його нетоксичністю та чудовою стабільністю, Yan et al. вважав матеріал ідеальним для фотоелектричних застосувань у приміщеннях.

Оптимізація експериментів для покращення результатів

Дослідницька група прийняла конфігурацію підкладки зі скла / легованого фтором оксиду олова з оксидом титану / телуру / селену і золота для розробки тонкоплівкових селенових сонячних елементів. Під час процесу вони використовували екологічно чистий оксид титану для формування буферного шару, а також сконструювали нетоксичні пристрої на основі селену для полегшення застосування у внутрішньому освітленні.

Під час експериментів вони вивчали селенові сонячні елементи при стандартному освітленні одним сонцем і вимірювали фотоелектричні характеристики пристроїв в приміщенні при освітленні 1000 люкс, із загальним світлодіодним джерелом світла для імітації середовища освітлення. Результати також призвели до оптимізації шару телуру, щоб полегшити значну різницю в інтенсивності світла між внутрішнім світлом і сонячним світлом.

Світло в приміщенні може генерувати відносно невелику кількість носіїв через свою дуже слабку інтенсивність. Тому команда вдосконалила пристрій для отримання позитивного фотодопінгового ефекту для оптимізації селенових сонячних елементів в умовах внутрішнього освітлення. Ян та ін. додатково включили телур на межі розділу селен/оксид титану, щоб забезпечити міцний зв’язок для пасивації поверхні.

Застосування пристроїв

Пристрої можуть бути використані для дослідження цілого ряду умов освітлення в приміщенні, які зазвичай необхідні для освітлення таких середовищ, як вітальня, бібліотека або яскравий супермаркет. Селенові елементи перевершили домінуючі на ринку кремнієві елементи, які в даний час є промисловим стандартом для внутрішньої фотоелектрики, як за ефективністю перетворення енергії, так і за стабільністю.

На противагу цьому, елементи на основі кремнію продемонстрували лише ефективність перетворення енергії нижче 10%, з відносно мінімальною фотостабільністю. Враховуючи ці спостереження, команда вважала, що пристрої на основі селену є більш привабливим альтернативним кандидатом. Вони також вивчили здатність селенового пристрою живити бездротові пристрої інтернету речей.

Перспективи

Таким чином, Бін Ян та його колеги переосмислили селен, найстаріший існуючий фотоелектричний матеріал з появою фотоелектричних пристроїв для приміщень, завдяки його унікальній здатності пропонувати відповідну широку смугу пропускання для збору світла в приміщенні. Матеріал нетоксичний і має внутрішню екологічну стабільність, що є важливими характеристиками.

Вчені оптимізували склад матеріалу, щоб досягти ефективності перетворення енергії в 15%, що підходить для освітлення приміщень з селеновими елементами на рівні 1000 люкс. Цей результат перевершив існуючу ефективність комерційних кремнієвих елементів. Селенові пристрої працювали без деградації навіть після 1000 годин безперервного освітлення в приміщенні.

Результати дослідження підкреслюють масштаби використання селену для фотоелектрики в приміщеннях з додатковим потенціалом для живлення пристроїв інтернету речей як привабливого елемента фотоелектрики.

інформація: Бін Ян та ін., Внутрішня фотоелектрика пробуджує перші у світі сонячні батареї, Досягнення науки (2022). DOI: 10.1126/sciadv.adc9923

Річард Хейт та ін., Сонячна енергія для Інтернету речей, Наука (2016). DOI: 10.1126/science.aag0476

Інформація про журнал: Успіхи науки. Наука

Селеновий фотоелемент

вплив, дефект, продуктивність, селенових, сонячних

Продавався Radio Shack з 1972-1978 рр. “Вчіться на практиці з цим навчальним пристроєм. ідеально підходить для шкільних проектів. Випускає.5 вольт при.6 міліампер при сильному освітленні. У комплекті з проводами, а також інструкціями для радіоприймача, реле, генератора, що працює на світлі. 1 1/2 x 1/8″. “.З каталогу. Початкова ціна була 1.29 USD

Номер за каталогом. Селеновий фотоелемент
Споживач ,
Матеріали селен
Напруга 0.5 V
Amperage 0.0006 A
Придбання Придбано

Споріднені елементи

вплив, дефект, продуктивність, селенових, сонячних

Прилад, Селен, Прилад, Селен, Прилад, Селен

вплив, дефект, продуктивність, селенових, сонячних

Зовнішній вигляд елемента виглядає як C.W. Селеновий елемент Hewlett, який був виготовлений між 1935 і 1937 роками. Однак, документація та рік невідомі для цього.

вплив, дефект, продуктивність, селенових, сонячних

Рік невідомий, фотоелементи Weston Photronic виробляються з 1931 року. В даний час клітини виробляються компанією Huvgen. Надано Кайлом Хаунселом

Онлайн-архів сонячних батарей

Інформаційний бюлетень

Ми використовуємо файли cookie на нашому веб-сайті, щоб надати вам найбільш релевантний досвід, запам’ятовуючи ваші уподобання та повторні відвідування. Натискаючи “Прийняти”, ви даєте згоду на використання ВСІХ файлів cookie.

Огляд конфіденційності

Цей веб-сайт використовує файли cookie для покращення вашого досвіду під час навігації по веб-сайту. З них у вашому браузері зберігаються файли cookie, які класифікуються як необхідні, оскільки вони є важливими для роботи основних функцій веб-сайту. Ми також використовуємо сторонні файли cookie, які допомагають нам аналізувати та розуміти, як ви використовуєте цей веб-сайт. Ці файли cookie зберігатимуться у вашому браузері лише за вашої згоди. У вас також є можливість відмовитися від цих файлів cookie. Але відмова від деяких з цих файлів cookie може вплинути на ваш досвід перегляду.

Необхідні файли cookie є абсолютно необхідними для належного функціонування веб-сайту. Ці файли cookie забезпечують основні функціональні можливості та функції безпеки веб-сайту, анонімно.

CookieДовготривалістьОпис

Функціональні файли cookie допомагають виконувати певні функції, наприклад, ділитися вмістом веб-сайту в соціальних мережах, збирати відгуки та інші сторонні функції.

Файли cookie використовуються для розуміння та аналізу ключових показників ефективності веб-сайту, що допомагає забезпечити кращий користувацький досвід для відвідувачів.

Аналітичні файли cookie використовуються, щоб зрозуміти, як відвідувачі взаємодіють з сайтом. Ці файли cookie допомагають надавати інформацію про метрики: кількість відвідувачів, відсоток відмов, джерело трафіку тощо.

Рекламні файли cookie використовуються для надання відвідувачам відповідної реклами та маркетингових кампаній. Ці файли cookie відстежують відвідувачів на різних веб-сайтах і збирають інформацію для надання персоналізованої реклами.

Інші некатегоризовані файли cookie. це ті, які аналізуються і ще не були віднесені до певної категорії.

Історія сонячної енергії: Сонячні панелі тоді і зараз

Широке використання сонячних панелей стрімко зросло в останні десятиліття, але ідея використання енергії сонця зовсім не нова. Насправді, сонячна енергетика має довгу історію. використовували сонячну енергію з давніх-давен для створення поживних речовин, а люди почали користуватися перевагами сонячної енергії багато століть тому. Стародавні греки використовували сонячну енергію для обігріву будинків і лазень, а Леонардо да Вінчі навіть розробив сонячну систему для нагрівання води в 15 столітті. Хоча сонячна енергія є найпростішою формою енергії, вона зазнала величезного прогресу за останні роки. Розуміння історії сонячної енергетики допомагає нам зрозуміти, як вона буде розвиватися.

Перші сонячні панелі

вплив, дефект, продуктивність, селенових, сонячних

Перший сучасний прорив у сонячній енергетиці стався в 1839 році, коли французький фізик Едмон Беккерель відкрив фотоелектричний ефект. процес, який створює напругу або електричний струм під впливом світла. Перенесемося в 1883 рік, і наступний великий стрибок у сонячній енергетиці зроблено. нью-йоркський винахідник Чарльз Фріттс створив перший сонячний елемент. Цей сонячний модуль складався з широкої, тонкої селенової пластини, покритої ще більш тонким листом золота. Коефіцієнт перетворення енергії коливався від 1 до 2 відсотків, що блідне в порівнянні з сучасними сонячними елементами, які працюють з ефективністю від 15 до 20 відсотків. Тим не менш, це все ще був важливий момент для сонячної енергетики і продемонстрував потенціал екологічно чистої енергії.

Якщо селен був основним компонентом сонячного елемента, винайденого Фріттсом, то сучасні сонячні модулі побудовані з використанням кремнію. У 1954 році дослідники з Bell Laboratories зрозуміли, що напівпровідники, такі як кремній, є більш ефективними, ніж селен, тому вони почали створювати кремнієві сонячні елементи. Коефіцієнт перетворення енергії для цих елементів становив 6%, що значно вище, ніж у попередніх селенових елементів. Проблема, однак, полягала в ціні. Виробництво елементів для великомасштабних застосувань було дорогим. Ці фотоелектричні елементи використовувалися в супутниках і побутовій електроніці, наприклад, калькуляторах, але для багатьох людей це було занадто дорого, щоб встановити їх на своїх дахах.

вплив, дефект, продуктивність, селенових, сонячних

Екологічний активізм стимулює розвиток

Ситуація змінилася в 1970-х роках, коли енергетична криза змусила уряд розглянути способи просування відновлюваних джерел енергії. Тоді Конгрес прийняв Закон про дослідження, розробку та демонстрацію сонячної енергії 1974 року, щоб сприяти дослідженню та розвитку сонячних технологій. Крім того, федеральний уряд почав пропонувати податкові пільги для підтримки переходу на сонячну енергію та інші відновлювані джерела енергії. У той же час у Сполучених Штатах відбувся великий культурний зсув. Виник сучасний екологічний рух, що підвищує обізнаність про забруднення та його наслідки для людей і планети. Це допомогло людям дізнатися про переваги сонячної енергії над викопним паливом, і її популярність стрімко зросла завдяки її користі для довкілля.

Сонячні панелі сьогодні

вплив, дефект, продуктивність, селенових, сонячних

Зараз сонячна енергія є більш доступною, ніж будь-коли. Завдяки підвищеному попиту, більш ефективному ланцюжку поставок та кращому розподілу ресурсів, сонячна енергія офіційно є найдешевшою електроенергією в історії. Зі збільшенням доступності сонячної енергії зростає і популярність технології. У 2019 році в США було встановлено 2 мільйони сонячних установок. і в міру того, як сонячна енергетика продовжує розвиватися, ця кількість зростає в геометричній прогресії. Люди часто думають, що використання сонячної енергії є чимось новим, але ідея використання енергії сонця існувала століттями, а технологія сонячних панелей розвивалася десятиліттями. Оскільки ми продовжуємо стикатися з екологічними наслідками традиційних джерел енергії, сонячна енергія стане необхідним компонентом нашого майбутнього.

Дізнайтеся про сонячну енергію

Зацікавлені в тому, щоб дізнатися більше про сонячну енергію? Наша команда може відповісти на будь-яке ваше запитання про сонячну енергію, щоб ви могли з перших вуст дізнатися, чому вона стала такою популярною.

Винахід сонячного елемента

60 років тому на цьому тижні з’явився сучасний сонячний елемент. Ось як.

вплив, дефект, продуктивність, селенових, сонячних

Великий шотландський вчений Джеймс Клерк Максвелл писав у 1874 році своєму колезі: “Я бачив, як на провідність селену впливає світло. Це дуже несподівано. Ефект мідного нагрівача невідчутний. Що від сонця великого.”

Максвелл був серед багатьох європейських вчених, заінтригованих поведінкою селену, на яку вперше звернула увагу наукова спільнота у статті Віллоубі Сміта, опублікованій у 1873 році в “Журналі Товариства телеграфних інженерів” (Journal of the Society of Telegraph Engineers). Сміт, головний електрик (інженер-електрик) компанії Gutta Percha Company, наприкінці 1860-х років використовував селенові бруски в пристрої для виявлення дефектів трансатлантичного кабелю перед зануренням. Хоча селенові батончики добре працювали вночі, вони демонстрували жахливі результати, коли виходило сонце. Підозрюючи, що особливі властивості селену якось пов’язані з кількістю світла, що падає на нього, Сміт помістив бруски в коробку з розсувною кришкою. Коли ящик був закритий і світло не потрапляло, опір брусків. ступінь, до якого вони перешкоджали проходженню електричного потоку через них. був найвищим і залишався постійним. Але коли кришка коробки була знята, їх провідність. посилення електричного потоку. відразу ж “зросла відповідно до інтенсивності світла”.”

Відкриття фотоелектричного ефекту в твердому матеріалі

Щоб визначити, що вплинуло на селен. сонячне тепло чи світло, Сміт провів серію експериментів. В одному з них він помістив брусок у неглибоке корито з водою. Вода блокувала сонячне тепло, але не світло, від потрапляння до селену. Коли він закривав і відкривав корито, отримані результати були схожі на ті, що спостерігалися раніше, що дозволило йому зробити висновок, що “опір [селенових злитків] змінювався відповідно до інтенсивності світла”.”

Серед дослідників, які вивчали вплив світла на селен після доповіді Сміта, були два британських вчених, професор Вільям Гріллс Адамс і його студент Річард Еванс Дей. Наприкінці 1870-х років вони піддали селен багатьом експериментам, і в одному з цих випробувань вони запалили свічку в дюймі від тих самих злитків селену, які використовував Сміт. Голка на їхньому вимірювальному приладі відреагувала миттєво. Екранування селену від світла призвело до миттєвого падіння стрілки до нуля. Ці швидкі відповіді виключили можливість того, що тепло полум’я свічки викликало струм (явище, відоме як теплова електрика), тому що коли тепло подається або відводиться в термоелектричних експериментах, голка завжди повільно піднімається або опускається. “Звідси. зробили висновок дослідники. було ясно, що в селені можна викликати струм під дією одного лише світла”.”5 Вони були впевнені, що відкрили щось абсолютно нове: що світло викликає “потік електрики” через твердий матеріал. Адамс і Дей назвали струм, створений світлом, “фотоелектричним”.”

Перший модуль

Через кілька років Чарльз Фріттс з Нью-Йорка просунув технологію вперед, сконструювавши перший у світі фотоелектричний модуль. Він наніс широкий, тонкий шар селену на металеву пластину і покрив його тонкою, напівпрозорою плівкою золотого листя. Цей селеновий модуль, повідомляв Фріттс, виробляв струм, “який є безперервним, постійним і значної сили [,] не тільки під впливом сонячного світла, але й під впливом тьмяного розсіяного денного світла і навіть світла лампи”.” Щодо корисності свого винаходу Фріттс оптимістично прогнозував, що “можливо, ми ще не скоро побачимо фотоелектричну пластину, яка конкуруватиме з [вугільними електростанціями]”, першими електростанціями на викопному паливі, які були побудовані Томасом Едісоном лише за три роки до того, як Фріттс оголосив про свої наміри.

Фріттс надіслав одну зі своїх сонячних панелей Вернеру фон Сіменсу, чия репутація стояла на одному рівні з репутацією Едісона. Вироблення електроенергії панелями під дією світла настільки вразило Сіменса, що видатний німецький вчений подарував панель Фрітца Королівській академії Пруссії. Сіменс заявив науковому світу, що модулі американця “вперше представили нам пряме перетворення енергії світла в електричну енергію.”

Благословенне бачення Сонця, що більше не виливається без відповіді в космос.

Сіменс вважав, що фотоелектрика має “з наукової точки зору надзвичайно важливе значення”.” Джеймс Клерк Максвелл погодився. Він високо оцінив дослідження фотоелектрики як “дуже цінний внесок у науку”.” Але ні Максвелл, ні Сіменс не мали жодного уявлення про те, як працює це явище. Максвелл задавався питанням: “Чи є випромінювання безпосередньою причиною, чи воно діє, спричиняючи певні зміни в хімічному стані??” Сіменс навіть не наважився дати пояснення, але закликав “провести ретельне дослідження, щоб визначити, від чого залежить електрорушійна світлова дія селену”.”

Мало хто з учених прислухався до заклику Сіменса. Відкриття, здавалося, суперечило всьому, у що вірила наука на той час. Селенові бруски, які використовували Адамс і Дей, а також “чарівна” пластина Фрітца, не покладалися на тепло для отримання енергії, як всі інші відомі енергетичні пристрої, включаючи сонячні двигуни. Тож більшість відкинула їх зі сфери подальших наукових досліджень.

Однак один відважний вчений, Джордж М. Мінчін, професор прикладної математики в Королівському індійському інженерному коледжі, скаржився, що відкидання фотоелектрики як науково необґрунтованої. дія, яка виникла на основі “дуже обмеженого досвіду” сучасної науки і в “перспективі “наскільки ми знаємо”. є нічим іншим, як божевіллям”.” Фактично, Мінчін найближче з-поміж небагатьох експериментаторів дев’ятнадцятого століття підійшов до пояснення того, що відбувається, коли світло потрапляє на селеновий сонячний елемент. Можливо, писав Мінчін, вона “просто діє як трансформатор енергії, яку вона отримує від сонця, тоді як її власні матеріали, будучи інструментами, що використовуються в цьому процесі, можуть бути майже повністю незмінними”.”

Наукова спільнота часів Мінчина також відкинула потенціал фотоелектрики як джерела енергії після того, як подивилася на результати, отримані при вимірюванні теплової енергії сонця у скляному пристрої з чорною поверхнею, ідеальному поглиначі сонячного тепла. “Але очевидно, що припущення про те, що всі форми енергії сонячного променя вловлюються почорнілою поверхнею і перетворюються на тепло, може бути неправильним”. стверджував Мінчін. Насправді, він вважав, що “можуть існувати деякі форми [сонячної] енергії, які не помічають почорнілих поверхонь [, і] можливо, належні сприйнятливі поверхні” для їх вимірювання “ще належить виявити”.” Мінчін інтуїтивно відчув, що тільки тоді, коли наука зможе кількісно оцінити “інтенсивність світла щодо кожного [його] окремого кольору [тобто різних довжин хвиль], вчені зможуть судити про потенціал фотоелектрики”.”

Велике відкриття Ейнштейна

Альберт Ейнштейн поділяв підозри Мінчина в тому, що наука того часу не змогла пояснити всю енергію, що надходить від Сонця. У сміливій статті, опублікованій у 1905 році, Ейнштейн показав, що світло має властивість, яку попередні вчені не визнавали. Він виявив, що світло містить пакети енергії, які він назвав світловими квантами (тепер вони називаються фотонами). Він стверджував, що кількість енергії, яку несуть кванти світла, змінюється, як і припускав Мінчін, залежно від довжини хвилі світла. чим коротша довжина хвилі, тим більша енергія. Найкоротша довжина хвилі, наприклад, містить фотони, які приблизно в чотири рази потужніші, ніж фотони найдовшої довжини.

Сміливий і новаторський опис світла Ейнштейном у поєднанні з відкриттям електрона і подальшим бурхливим дослідженням його поведінки. все це відбувалося на рубежі XIX століття. забезпечило фотоелектрику наукову основу, якої їй раніше не вистачало, і яка тепер могла пояснити це явище в термінах, зрозумілих для науки. У таких матеріалах, як селен, більш потужні фотони несуть достатньо енергії, щоб вибити слабко зв’язані електрони з їхніх атомних орбіт. Коли до селенових брусків приєднані дроти, вивільнені електрони протікають через них у вигляді електрики. Експериментатори ХІХ століття називали цей процес фотоефектом, але до 1920-х років вчені називали це явище фотоелектричним ефектом.

Ця нова легітимність стимулювала подальші дослідження в галузі фотоелектрики і відродила мрію про те, що світова промисловість могла б працювати без палива і забруднення, живлячись невичерпними променями сонця. Доктор. Бруно Ланге, німецький вчений, чия сонячна панель 1931 року нагадувала конструкцію Фріттса, передбачив, що “в недалекому майбутньому величезні заводи будуть використовувати тисячі таких пластин для перетворення сонячного світла в електричну енергію яка зможе конкурувати з гідроелектричними і паровими генераторами в роботі заводів і освітленні будинків”.” Але сонячна батарея Ланге працювала не краще, ніж у Фріттса, перетворюючи в електрику набагато менше 1 відсотка всього вхідного сонячного світла. навряд чи цього достатньо, щоб виправдати її використання в якості джерела живлення.

Піонерам фотоелектрики не вдалося досягти тих цілей, на які вони сподівалися, але їх зусилля не були марними. Один із сучасників Мінчіна приписував їм “телескопічну уяву, яка побачила блаженне бачення Сонця, що більше не виливається без відповіді в космос, але за допомогою фотоелектричних елементів [його] сили зібрані в електричні сховища до повного вимирання парових двигунів і повного придушення диму”.” У своїй книзі про сонячні елементи 1919 року Томас Бенсон похвалив роботу цих піонерів з селеном як предтечу “неминучого сонячного генератора”.” Марія Телкес також відчувала себе натхненною селеновою спадщиною, пишучи: “Особисто я вважаю, що фотоелектричні елементи будуть найбільш ефективними перетворювачами сонячної енергії, якщо велика кількість подальших досліджень і розробок призведе до поліпшення їх характеристик”.”

Однак, не маючи жодних проривів на горизонті, керівник підрозділу фотоелектрики Westinghouse міг лише зробити висновок: “Фотоелектричні елементи не будуть цікавими для практичного інженера, доки ефективність не збільшиться принаймні в п’ятдесят разів”.” Автори книги “Фотоелектрика та її застосування” погодилися з песимістичним прогнозом, написавши в 1949 році: “Треба залишити на розсуд майбутнього, чи відкриття матеріально більш ефективних елементів знову відкриє можливість використання сонячної енергії для корисних цілей”.”

Перший практичний сонячний елемент

Керівники компанії Bell представили пресі сонячну батарею Bell Solar Battery 25 квітня 1954 року.

Всього через п’ять років початок кремнієвої революції породив перший у світі практичний сонячний елемент і поклав початок тривалої сонячної ери. Його народження випадково відбулося разом з народженням кремнієвого транзистора, основного компонента кожного електронного пристрою, що використовується сьогодні. Двоє вчених, Келвін Фуллер і Джеральд Пірсон зі знаменитої Bell Laboratories, очолили новаторську роботу, яка привела кремнієвий транзистор від теорії до працюючого пристрою. Захоплений колега описав Пірсона як “експериментатора експериментатора”.” Фуллер, хімік, навчився контролювати введення домішок, необхідних для перетворення кремнію з поганого провідника електрики на провідного провідника електрики. В рамках дослідницької програми Фуллер дав Пірсону шматок кремнію, що містив невелику концентрацію галію. Введення галію зробило кремній позитивно зарядженим. Коли Пірсон занурив стрижень у гарячу літієву ванну, згідно з формулою Фуллера, частина кремнію, занурена в літій, стала негативно зарядженою. Там, де зустрічалися позитивний і негативний кремній, виникало постійне електричне поле. Це p-n перехід, серце транзистора і сонячного елемента, де відбувається вся електронна активність. Підготовлений таким чином кремній потребує лише певної кількості зовнішньої енергії для активації, яку в одному з експериментів Пірсона забезпечило світло лампи. Спеціально підготовлений кремній вчений під’єднав дротами до амперметра, який, на подив Пірсона, зафіксував значний електричний струм.

Поки Фуллер і Пірсон працювали над удосконаленням транзисторів, інший вчений Bell, Деріл Чапін, почав працювати над проблемою забезпечення невеликих обсягів переривчастої електроенергії у віддалених вологих місцях. У будь-якому іншому кліматі традиційна суха батарея підійшла б, але “в тропіках [вона] може мати занадто короткий термін служби” через деградацію, викликану вологістю, пояснив Чапін, “і вийти з ладу, коли в ній буде повна потреба”.” Bell Laboratories доручила Чапіну дослідити можливість використання альтернативних джерел автономної енергії, включаючи вітряки, термоелектричні генератори та невеликі парові двигуни. Чапін запропонував включити в дослідження сонячні елементи, і його керівники схвалили це.

Наприкінці лютого 1953 року Чапін розпочав свої фотоелектричні дослідження. Помістивши комерційний селеновий елемент на сонячне світло, він зафіксував, що він виробляє 4.9 ват на квадратний метр. Ефективність сонячної електростанції, тобто відсоток сонячного світла, який вона могла перетворити на електрику, була трохи меншою за 0.5 відсотків. Звістка про дослідження Чапіна в галузі сонячної енергетики та його невтішні результати дійшла до Пірсона. Він сказав Чапіну: “Не витрачай більше ні хвилини на селен”, і дав йому кремнієвий сонячний елемент, який він зробив. Випробування Чапіна, проведені під сильним сонячним світлом, довели, що Пірсон мав рацію. Кремнієвий сонячний елемент мав ефективність 2.3 відсотки, приблизно в п’ять разів більше, ніж у селенового елемента. Чапін негайно припинив дослідження селену і присвятив свій час вдосконаленню кремнієвого сонячного елемента.

Його теоретичні розрахунки його потенціалу були обнадійливими. Ідеальна установка, за розрахунками Чапіна, могла б використовувати 23 відсотки сонячної енергії, що надходить, для виробництва електрики. Однак він поставив собі за мету отримати ККД майже 6 відсотків. поріг, якого інженери того часу вважали за необхідне досягти, щоб фотоелектричні елементи серйозно розглядалися як джерела електричної енергії.

Чапену, який виконував більшу частину інженерних робіт, доводилося випробовувати нові матеріали, тестувати різні конфігурації і стикатися з моментами відчаю, коли здавалося, що нічого не працює. На кількох етапах виникали, здавалося б, нездоланні перешкоди. Один з головних проривів стався безпосередньо завдяки знанням про роботу квантів світла (фотонів) Ейнштейна. “Виявляється, необхідно зробити наш p-n [перехід] дуже близько до поверхні”. зрозумів Чапін, щоб більш потужні фотони, що належать до світла з коротшою довжиною хвилі, могли ефективно переміщати електрони туди, де вони можуть бути зібрані у вигляді електрики. Для створення такої комірки потрібна була співпраця з Фуллером. Чапін також помітив, що блискуча поверхня кремнію відбиває багато сонячного світла, яке можна поглинати і використовувати, тому він покрив його поверхню тьмяним прозорим пластиком. Додавання бору у верхню частину комірки дозволило краще збирати фотони, забезпечуючи хороший електричний контакт на кремнієвих смужках, зберігаючи при цьому p-n-перехід близько до поверхні. Чапін нарешті тріумфував, досягнувши своєї 6-відсоткової мети. Тепер він міг з упевненістю назвати побудовані ним елементи “силовими фотоелементами призначеними для використання в якості первинних джерел енергії”.” Переконавшись у відтворюваності та достатній ефективності елементів, тріо побудувало кілька масивів і продемонструвало їх на прес-конференції та щорічних зборах Національної академії наук.

Горді керівники компанії Bell представили пресі 25 квітня 1954 року сонячну батарею Bell Solar Battery, продемонструвавши панель елементів, яка покладалася виключно на енергію світла для роботи 21-дюймового колеса огляду. Наступного дня вчені Bell запустили радіопередавач на сонячних батареях, який транслював голос і музику провідним американським вченим, що зібралися на зустріч у Вашингтоні, округ Колумбія. Преса звернула увагу. U.S. News World Report схвильовано розмірковує у статті під назвою “Паливо безмежне”: “Кремнієві смужки можуть забезпечити більше енергії, ніж все вугілля, нафта та уран у світіІнженери мріють про електростанції на кремнієвих смужках.” Газета New York Times погодилася з цим, заявивши на першій сторінці, що робота Чапіна, Фуллера і Пірсона, результатом якої став перший сонячний елемент, здатний генерувати корисну кількість енергії, “може ознаменувати початок нової ери, що призведе в кінцевому підсумку до здійснення однієї з найзаповітніших мрій людства. використання майже безмежної енергії сонця для потреб цивілізації”.”

З книги Let It Shine. Copyright © 2013 by John Perlin. Передрук з дозволу Бібліотеки Нового Світу.

Залишити відповідь