Энергетические потребности человечества в год составляют примерно 10 миллиардов тонн условного топлива. Теплота сгорания условного топлива – 7 000 ккал/кг. Львиная доля потребляемой энергии обеспечивается сжиганием углей, углеводородов. Эта "черная" энергетика уже привела к экологическим изменениям планетарного масштаба. За последнее столетие средняя температура поднялась на 1 градус Цельсия. И уже это привело к таянию высокогорных и полярных шапок, к сокращению реликтовых снегов и льдов. В ближайшие же 40-70 лет ожидается повышение средней температуры на 3-5 градусов Цельсия. К чему это приведет? К "Концу Света" (http://www.gazeta.kz/art.asp?aid=84358). Можно ли заменить "черную" энергетику на "чистую", экологически безопасную, не угрожающую "Концом Света"?

Принципиально такая возможность существует. Это – "чистая" Солнечная Энергетика. Если энергию, поставляемую на нашу планету Солнцем за год, перевести в условное топливо, то она составит 100 триллионов тонн, что в 10 тысяч раз больше энергетической потребности человечества. Если бы человечество смогло использовать для своего энергопотребления хотя бы 0,1% "чистой" Солнечной энергии, то есть 100 миллиардов тонн того самого условного топлива в год, то это 10-ти кратно превысило бы его годовые энергетические потребности и решило бы проблему энергообеспечения на многие века.

Однако, не все так просто. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е годы прошлого века. Произошло это в Физико-техническом институте, созданном и руководившемся академиком А.Ф. Иоффе. Эффективность или коэффициент полезного действия (КПД) первых солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии. Но тем самым была положена идейная основа "чистой" энергетики. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах.

В 70-х годах прошедшего века КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке. А далее два десятилетия "застоя". Для космических кораблей и сооружений (станций) этого вполне хватало, но для широкого наземного использования производство солнечных батарей из дорогостоящего монокристаллического кремния по сравнению с сжиганием дешевых черных углей и нефти было совершенно не выгодно. Но с 90-х годов прошлого столетия человечество (страны, правительства, международные организации) стало осознавать черную пропасть "черной" энергетики, и приступило к целенаправленным поискам "чистой" экологически безопасной энергетики. Этому способствовало и осознание того, что запасы "черных" энергоносителей небезграничны. Среди многих других направлений (атомная энергетика, гидроэнергетика, ветроэнергетика, биоэнергетика) Солнечная энергетика, конечно же, привлекала особе внимание, поскольку источником энергии является вечное Солнце. Исследования и разработки Солнечных элементов значительно интенсифицировались. Особенно большой прогресс получили солнечные элементы не из кремния, а из сложных полупроводниковых соединений, КПД которых значительно превосходит теоретические КПД пленочного, блочно-кристаллического и монокристаллического кремния (от 12 до 23%).

Последнее достижение – Солнечный элемент на основе GaP, GaAs и InGaAsN представляет четырехслойной пирог: верхний состоит из сплава индий-фосфид галлия, второй – из арсенида галлия, третий – из 2% азота с "индием в арсениде галлия" и четвертый – германиевый. Каждый слой поглощает (и преобразовывает в электричество) свет различной длины волны. Первый поглощает зеленый и желтый, второй – от зеленого до глубокого красного, третий - поглощает между глубоким красным инфракрасным, и четвертый – от инфракрасного и дальше. Поглощенный свет создает пары электрон–дырка. Электроны движутся к одному полюсу, а дырки – к другому, создавая электрический ток.

В наиболее распространенных Солнечных элементах используются либо кремний, либо двухслойные панели, составленные из слоя индий–фосфид галлия и слоя арсенида галлия. Кремниевые элементы имеют максимальный теоретический КПД около 23%, а двухслойные (фосфид галлия – индий/арсенид галлия") – примерно 30%. Это значительно ниже 40%, предсказанных для многослойной батареи с InGaAsN.
Кристаллические и полупроводниковые свойства InGaAsN делают его идеальным материалом для Солнечных элементов. По сравнению с кремнием удается получить двукратное увеличение мощности, InGaAsN позволяет уменьшить размер коллектора солнечного излучения, что означает меньшую массу и размеры спутника, следовательно, меньшую стоимость вывода в космос.

В настоящее время наибольший КПД Солнечных элементов составляет 40,7%. В этих Солнечных элементах использован так называемый феномен мультизоны или гетеропереход - это несколько тончайших слоев различных полупроводников, способных захватывать фотоны разных длин волн и перекрывать более широкий спектр излучения, чем обычные Солнечные элементы.

Итак, к настоящему времени достигнут КПД в 40,7%. Но это еще опытные образцы. Широкое же распространение получают пока только кремниевые Солнечные элементы, у которых реальный КПД лежит в диапазоне 12-18%. Низкий КПД кремниевого Солнечного элемента обусловлен тем, что он работает на узком диапазоне спектра Солнечного излучения в области оранжево-красного света. Остальная часть спектра попросту не участвует в выработке электричества, а превращается в тепло, вызывая нежелательный нагрев прибора.

В новейших Солнечных элементах повышение КПД достигается за счет расширения спектра "действенного" Солнечного излучения путем усложнения конструкции до 4-х слойного пирога. Но и при этом, как упоминалось выше, вовлекаются в действие только зеленые, желтые, оранжевые, красные и инфракрасные лучи Солнечного света.

Остальная же часть богатого Солнечного спектра, от ультрафиолетового до зеленого, вместе с фиолетовым, синим и голубым полностью исключена из "полезного" фотоэлектрического преобразования. Следовательно, предстоят разработки по вовлечению в полезное действие пока неработающей части Солнечного спектра. Это означает, что разработчикам предстоит изобретать материалы, эффективно поглощающие синий, голубой, фиолетовый "света" с генерацией электронно-дырочных пар.
Что касается ультрафиолетовой части спектра Солнечного излучения, то фактически уже разработаны материал и способ, позволяющие повысить КПД Солнечного элемента. Это – наномагнезия или наноструктурная магнезия (окись магния), получаемая на открытом воздухе, и предназначенная для широкого применения в приборах, устройства и процессах, имеющих непосредственное отношение к ультрафиолетовым облучениям от разрядных источников света до "Озоновых дыр" (http://www.express-k.kz/show_article.php?art_id=5673).
Чтобы "задействовать" ультрафиолетовую составляющую Солнечного спектра, необходимо "организовать" предварительное преобразование ультрафиолетовых лучей в видимые, причем того диапазона длин волн, на котором работает конкретный тип Солнечного элемента.

>Рассмотрим самый распространенный кремниевый Солнечный элемент. Спектральный диапазон его работы оранжево-красный. Материал на основе наномагнезии "успешно" преобразовывает ультрафиолетовые лучи в оранжево-красные. Кроме того, материал должен быть прозрачен, особенно, в оранжево-красном диапазоне спектра Солнечного излучения. Эксперименты показали, что в тонкопленочном исполнении материал прозрачен на 95% для всего видимого диапазона Солнечного излучения. Это – практически полное светопропускание. Следовательно, преобразователь ультрафиолетового диапазона в оранжево-красный должен быть реализован в виде тонкой пленки толщиной менее 1 микрона, т.е. в виде нанослоя. Это вполне подается практической реализации, а именно: после формирования p-n – перехода (диффузией ли, осаждением ли пленки кремния с одновременным легированием необходимой примеси) и электродной системы перед формированием защитного и антибликового покрытия наносится наномагнезиальный нанослой на всю рабочую поверхность Солнечного элемента.

В плазменных дисплеях и лампах дневного света КПД за счет наномагнезиального нанопокрытия повышается на 20-30%. Учитывая, что свет от наномагнезиального нанопокрытия на поверхности Солнечного элемента излучается в основном в двух направлениях: в "тело" Солнечного элемента; от Солнечного элемента, т.е. полезное действие может производить только половина светового потока (половинчатый поток), можно ожидать увеличения КПД на 10-15%. Однако, если поместить наномагнезиальный слой и под пленкой кремния (в случае пленочного кремниевого Солнечного элемента) на отражающую подложку, то, ввиду задействия полного светового потока, КПД может увеличиться на 20-30%. Это – теоретическая оценка. На практике, конечно, будет меньше. Пусть практическое увеличение КПД составит 10-15%. Но уже это было бы огромным достижением. Вспомним, что десятилетиями шла борьба за повышение КПД кремниевых Солнечных элементов на единицы и доли процента. Если реальные уровни КПД наиболее дешевых пленочных, блочно-кристаллических и монокристаллических кремниевых Солнечных элементов, составляющие ныне 12-18%, довести до 22-33%, то "чистая" Солнечная энергетика обретает вполне реальные очертания.

Если бы удалось задействовать в фотоэлектрическом преобразовании кремниевых Солнечных элементов фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый и инфракрасный части солнечного спектра, то реальный КПД можно было бы поднять еще на 20-30%. Тогда эффективность преобразования Солнечной энергии достигнет 42-73%. И "светлая" Солнечная энергетика станет повседневной реальностью.
Что касается последних достижений с дорогостоящими Солнечными элементами из многослойных полупроводниковых соединений (40,7% КПД), то, используя магнезиальное повышение КПД, очевидно, можно довести эффективность фотоэлектрического преобразования до 80%. Столь высокий реальный КПД значительно удешевит энергообеспечение космических приборов, аппаратов, сооружений (станций).
Нет сомнений в том, что прогнозируемые уровни эффективности преобразования Солнечной энергии реально достижимы. Ведь достигли же мы наномагнезиальным нанопокрытием превышения "Philips"овского уровня долговечности ламп дневного света в … 100 раз! (Светотехника, № 1, 2007 г.). И без какой-либо финансовой поддержки ни со стороны государства, ни со стороны бизнеса. До коле же работать на голом энтузиазме? Может быть, Казахстану не нужна "чистая" Солнечная энергетика? Его, Его бюрократию, Его народ вполне устраивает "черная" энергетика?

^Ким С.Г., Мамбетерзина Г.К.,
Казахстан,
E-mail: kimamsegoo@mail.ru