Введение

Часть истории энергетики и технологий
В XIX веке было замечено, что солнечный свет, попадая на определенные материалы, генерирует обнаружимый электрический ток – фотоэлектрический эффект. Это открытие заложило основу для создания солнечных элементов. Солнечные элементы нашли применение во многих областях. Исторически их использовали в ситуациях, когда доступ к электросети был невозможен. С развитием этого изобретения солнечные элементы стали важным средством выработки электроэнергии для спутников. Спутники вращаются вокруг Земли, что делает солнечные элементы основным источником энергии, получаемой от солнечного света. В настоящее время солнечные элементы широко используются на спутниках.

19001929 год

1901 Филипп фон Ленард наблюдает зависимость энергии электрона от частоты света. 1904 Вильгельм Холвакс создает солнечный элемент на основе полупроводникового перехода (медь и оксид меди). 1904 Джордж Коув разрабатывает солнечный электрогенератор. 1905 Альберт Эйнштейн публикует статью, объясняющую фотоэлектрический эффект с квантовой точки зрения. 1913 Уильям Кобленц получает патент US1077219 на "Солнечный элемент". 1914 Свен Асон Берглунд патентует "методы повышения эффективности светочувствительных элементов". 1916 Роберт Милликан проводит эксперименты и подтверждает фотоэлектрический эффект. 1918 Ян Чохральский разрабатывает метод выращивания монокристаллов металла. Десятилетия спустя этот метод был адаптирован для выращивания монокристаллического кремния. 1921 Эйнштейн удостоен Нобелевской премии по физике за работы по фотоэлектрическому эффекту.

19301959 год

1932 Одоберт и Стора открывают фотоэлектрический эффект в селениде кадмия (CdSe) – фотоэлектрическом материале, который используется и сегодня. 1935 Энтони Х. Лэмб получает патент US2000642 на «Фотоэлектрическое устройство». 1941 Рассел Оль подает заявку на патент US2402662, «Светочувствительное устройство». 1948 Гордон Тил и Джон Литтл адаптируют метод Чохральского для выращивания кристаллов, чтобы получить монокристаллический германий, а затем и кремний. 1950-е годы Лаборатории Белла производят солнечные элементы для космических программ. 1953 Джеральд Пирсон начинает исследования литий-кремниевых фотоэлектрических элементов. 1954 25 апреля 1954 года лаборатория Белла объявляет об изобретении первого практичного кремниевого солнечного элемента. Вскоре после этого они были продемонстрированы на заседании Национальной академии наук. Эффективность этих элементов составляет около 6%. Газета The New York Times прогнозирует, что солнечные батареи в конечном итоге обеспечат источник «безграничной энергии солнца». 1955 Western Electric лицензирует коммерческие технологии солнечных элементов. Подразделение полупроводников компании Hoffman Electronics создает коммерческий солнечный элемент с эффективностью 2% стоимостью 25 долларов за элемент или 1785 долларов за ватт. 1957 Изобретатели AT&T (Джеральд Л. Пирсон, Дэрил М. Чапин и Кальвин С. Фуллер) получают патент US2780765 на «Устройство для преобразования солнечной энергии». Они называют его «солнечной батареей». Компания Hoffman Electronics создает солнечный элемент с эффективностью 8%. 1957 Мохамед М. Аталла разрабатывает процесс пассивации поверхности кремния термическим окислением в лабораториях Белла. Этот процесс пассивации поверхности с тех пор играет решающую роль в повышении эффективности солнечных элементов. 1958 Т. Манделькорн из Лаборатории корпуса связи США создает кремниевые солнечные элементы типа n-p, которые более устойчивы к радиационному повреждению и лучше подходят для использования в космосе. Компания Hoffman Electronics создает солнечные элементы с эффективностью 9%. Спутник Vanguard I, первый спутник, работающий на солнечной энергии, был запущен с солнечной панелью мощностью 0,1 Вт и площадью 100 см². 1959 Компания Hoffman Electronics создает коммерческий солнечный элемент с эффективностью 10% и внедряет контактную сетку для снижения сопротивления элемента.

2020 год

Эффективность перовскитовых солнечных элементов увеличилась с 3,8% в 2009 году до 25,2% в 2020 году в однопереходных архитектурах, а в тандемных элементах на основе кремния – до 29,1%.

13 июля – Опубликована первая глобальная оценка перспективных подходов к переработке солнечных фотоэлектрических модулей. Ученые рекомендуют "проводить исследования и разработки для снижения затрат на переработку и негативного воздействия на окружающую среду по сравнению с утилизацией, при этом максимизируя извлечение материалов", а также содействовать и использовать технико-экономический анализ. 3 июля – Ученые показали, что добавление органического ионного твердого электролита в перовскиты может привести к значительному улучшению характеристик и стабильности солнечных элементов. Исследование также выявило сложный механизм деградации, который является причиной выхода из строя стареющих перовскитовых солнечных элементов. Это понимание может способствовать будущему развитию фотоэлектрических технологий с промышленно значимой долговечностью.

В 2021 году

12 апреля – Ученые разработали прототип и правила проектирования для кремниевых солнечных элементов с контактами с обеих сторон, демонстрирующих эффективность преобразования 26% и выше – наивысший показатель для данного типа солнечных элементов, достигнутый на Земле. 7 мая – Исследователи решили ключевую проблему перовскитовых солнечных элементов, повысив их стабильность и долгосрочную надежность с помощью разновидности "молекулярного клея". 21 мая – В Польше запущена первая промышленная линия коммерческого производства перовскитовых солнечных панелей, использующая технологию струйной печати. 13 декабря – Исследователи сообщили о разработке базы данных и инструмента анализа перовскитовых солнечных элементов, систематически объединяющей более 15 000 публикаций, включая данные об устройстве более чем 42 400 таких фотоэлектрических приборов. 16 декабря – Компания ML System из Ясионки, Польша, открыла первую линию по производству квантового стекла. На заводе начато производство окон, интегрирующих прозрачный слой квантовых точек, способный генерировать электроэнергию и одновременно охлаждать здания.

В 2022 году

30 мая Команда Института Фраунгофера ISE под руководством Фрэнка Димрота разработала 4-переходный солнечный элемент с эффективностью 47,6% – новый мировой рекорд для преобразования солнечной энергии. 13 июля – Исследователи сообщили о разработке полупрозрачных солнечных элементов размером с окна, после того как члены команды достигли рекордной эффективности при высокой прозрачности в 2020 году. 4 июля исследователи сообщили о создании солнечных элементов с рекордной средней видимой прозрачностью 79%, которые практически невидимы. 9 декабря – Исследователи сообщили о разработке гибких органических фотоэлектрических элементов, напечатанных на 3D-принтере и тонких, как бумага. 19 декабря – Достигнут новый мировой рекорд эффективности для кремниево-перовскитного тандемного солнечного элемента: ученым в Германии удалось преобразовать 32,5% солнечного света в электрическую энергию.

2024 год

12 марта – Ученые продемонстрировали первую монолитную тандемную солнечную ячейку, в которой селен используется в качестве фотопоглощающего слоя в верхней ячейке, а кремний – в нижней.