С каждым годом проблемы дефицита энергии и загрязнения окружающей среды все более и более обостряются: ископаемые ресурсы заканчиваются, а потребление человечеством электричества неуклонно растет. В данном контексте совсем не удивительно, что ученые продолжают совершенствовать альтернативные способы генерации электроэнергии.
Наряду с другими чистыми источниками, такими как ветер, приливы, морские волны, тепло земли и прочие, не теряют актуальности и солнечные электростанции, традиционно возводимые из батарей на базе фотоэлементов. Главное требование к фотоэлементам — это как можно более высокая эффективность, как можно больший КПД преобразования энергии солнечного излучения в энергию электрическую.
Загвоздка с солнечными элементами заключается в том, что хотя поток излучения (исходящего от Солнца и доходящего до Земли) и обладает у верхней границы атмосферы удельной мощностью в районе 1400 Вт/кв.м, тем не менее в облачную погоду вблизи поверхности земли на европейском континенте получается всего 100 Вт/кв.м. и даже меньше.
КПД солнечного элемента, модуля, батареи [efficiency of solar cell, module, array] — Отношение электрической мощности солнечного элемента, модуля, батареи к произведению плотности потока солнечной энергии на площадь, соответственно, элемента, модуля, батареи.
КПД солнечной электростанции [efficiency of solar power plant] — Отношение выработанной электрической энергии к поступившей за тот же интервал времени энергии солнечного излучения к поверхности, составляющей проекцию площади солнечной электростанции на плоскость, нормальную к солнечным лучам.
Наиболее популярные сегодня солнечные батареи позволяют добывать электричество из солнечных лучей с КПД от 9 до 24%. Средняя стоимость такой батареи составляет около 2 евро за Вт, в то же самое время промышленная генерация электроэнергии на фотоэлементах стоит сегодня 0,25 евро за кВт-ч. А между тем Европейская Ассоциация Фотовольтаики прогнозирует, что уже к 2021 году стоимость промышленно вырабатываемой «солнечной» электроэнергии снизится до 0,1 евро за кВт-ч.
Ученые всего мира стремятся повысить КПД разрабатываемых ими фотоэлементов. Каждый год появляются новости от различных институтов, где снова и снова ученым удалось создать солнечные модули с рекордной эффективностью, солнечные модули на базе нового химического состава, солнечные модули с более эффективными концентраторами и т.д.
Первые высокоэффектвные солнечные элементы были публично продемонстрированы в 2009 году компанией Spectrolab. Эффективность элементов доходила тогда до 41,6%, тогда же было анонсировано начало промышленного выпуска солнечных элементов с КПД 39% в 2011 году. В итоге, в 2016 году Spectrolab начала производство солнечных панелей с КПД 30,7%для космических аппаратов.
В 2011 году компания Solar Junction из Калифорнии продемонстрировала КПД еще более высокий — 43,5% на солнечном элементе размером 5,5 на 5,5 мм, превысив недавно поставленный рекорд от Spectrolab. Многосвязные трехуровневые элементы планировали производить на заводе, для возведения которого требовался кредит от Министерства энергетики.
Солнечная система Sun Simba, включающая в себя оптический концентратор, и обладающая КПД от 26 до 30%,в зависимости от освещенности и угла падения света, была представлена в 2012 году канадской фирмой Morgan Solar. Элементы включали в себя арсенид галлия, германий и оргстекло. Данная разработка позволила вдовое повысить КПД традиционных кремниевых фотоэлементов.
Трехслойные элементы Sharp на базе индия, галлия и арсенида, при размере 4 на 4 мм показали КПД 44,4%. Они были продемонстрированы в 2013 году. Но в том же году французская компания Soitec совместно с Берлинским центром им. Гельмгольца и специалистами из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, закончили разработку фотоэлемента с линзой Френеля.
Его КПД составил 44,7%. А уже год спустя, в 2014 году, в Институте Фраунгофера получили КПД в 46%, опять же на элементе с линзой Френеля. Структура фотоэлемента содержит четыре спая: фосфат индия-галлия, арсенид галлия, арсенид галлия-индия и фосфат индия.
Создатели элемента утверждают, что батарея, состоящая из 52 модулей, включающих линзы Френеля (площадью по 16 кв.см каждая) и сверх-эффективные приемные фотоэлементы (площадью всего по 7 кв.мм каждый) способна в принципе преобразовать в электричество свет от 230 Солнц.
Наиболее перспективной альтернативой тому что есть сейчас, аналитикам видится создание в ближайшем будущем фотоэлементов с КПД порядка 85%, работающих по принципу выпрямления тока, наводимого электромагнитным излучением Солнца (ведь солнечный свет — это электромагнитная волна с частотой около 500 ТГц) на крохотную наноантенну размером в несколько нанометров.