Солнечная батарея: как кусок кремния превращает свет в электричество

Солнечная панель — едва ли не единственный источник энергии без единой движущейся детали: свет входит, ток выходит.

Чтобы свет дал электричество, мало выбить электрон фотоном. Нужно ещё заставить выбитые электроны течь в одну сторону — и для этого внутри кремния создают невидимый «склон».

Свет — это поток частиц

Долгое время свет считали просто волной. Но в начале XX века выяснилось, что он ведёт себя ещё и как поток частиц — фотонов. Каждый фотон несёт порцию энергии, и эта порция зависит только от цвета света. Открытие, что свет квантуется, было настолько важным, что именно за объяснение фотоэффекта Эйнштейн получил Нобелевскую премию — не за теорию относительности.

Фотоэффект — это и есть фундамент солнечной батареи: фотон, врезавшись в вещество, способен выбить из атома электрон.

Фотон выбивает электрон

Вспомним устройство полупроводника. В кремнии электроны сидят связанные в решётке, на «нижнем этаже» энергии. Чтобы электрон стал свободным и мог нести ток, ему надо перепрыгнуть энергетическую ступеньку — запрещённую зону.

Вот тут и приходит фотон. Если его энергии хватает, он отдаёт её электрону, и тот перескакивает наверх, в зону проводимости, оставляя внизу дырку — пустое место. Энергия фотона связана с цветом света так:

$$E = \frac{hc}{\lambda}.$$

Красный свет несёт меньше энергии, синий — больше. Если фотон слишком «слабый», электрон выбить не удастся, и такой свет панель просто пропустит или нагреет.

Главная проблема: куда направить электроны

Казалось бы, дело сделано: свет наплодил свободных электронов. Но есть загвоздка. Освобождённые электроны мечутся внутри кристалла беспорядочно и быстро находят дырки, падая обратно. Никакого тока в одну сторону не возникает — энергия света просто уйдёт в тепло.

Чтобы получить полезный ток, нужно заставить электроны двигаться согласованно, в одном направлении. Для этого внутри панели создают встроенное электрическое поле — этакий невидимый «склон», по которому электроны скатываются всегда в одну сторону.

Снова p-n-переход

Этот склон создаёт уже знакомый p-n-переход. Пластину кремния делают двухслойной:

На границе этих слоёв сам собой возникает запирающий слой со встроенным полем. Теперь, когда фотон выбивает пару «электрон — дырка», поле растаскивает их в разные стороны: электроны сгоняет к одному выводу панели, дырки — к другому. Появляется разделение зарядов, то есть напряжение.

Если соединить выводы панели проводом через лампочку, электроны побегут по цепи — это и есть электрический ток. Поток будет идти, пока на панель падает свет.

Почему КПД не стопроцентный

Часть света панель упускает неизбежно:

• Фотоны со слишком малой энергией не выбивают электронов — их энергия теряется.
• У фотонов со слишком большой энергией излишек уходит в тепло, а не в ток.
• Часть света отражается от поверхности, не дойдя до кремния.

Поэтому у обычных кремниевых панелей в электричество превращается лишь около пятой части энергии света. Инженеры борются за каждый процент: наносят просветляющие покрытия, делают многослойные ячейки, ловят больше цветов спектра.

Почему это так ценно

В солнечной батарее нет ни турбин, ни поршней, ни топлива — ничего, что изнашивается или требует горючего. Пока светит солнце, панель молча выдаёт ток и может работать десятилетиями. Источник энергии — за 150 миллионов километров, и доставка бесплатна.

Итог

Солнечная батарея работает в два шага. Сначала фотоны выбивают электроны из кремния — это фотоэффект. Затем встроенное поле p-n-перехода гонит эти электроны в одну сторону, рождая ток. Свет входит, электричество выходит, и всё это без единой движущейся детали — тихая физика прямо у вас на крыше.