Как работают солнечные батареи? — Ричард Комп

Смотрите урок полностью: https://ed.ted.com/lessons/how-do-solar-panels-work-richard-komp

Земля поглощает огромный объём солнечной энергии: 173 000 тераватт. Это в десять тысяч раз больше энергии, чем использует население планеты. Возможно ли, что однажды мир полностью
перейдёт на солнечную энергию? Ричард Комп изучает, как солнечные батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Урок — Ричард Комп, анимация — Globizco.

Земля поглощает
огромный объём солнечной энергии:

173 тысячи тераватт.

Это в десять тысяч раз больше энергии,
чем использует население планеты.

Возможно ли, что однажды

мир сможет полностью
перейти на солнечную энергию?

Для ответа на этот вопрос

узнаем, как солнечные батареи превращают
солнечную энергию в электрическую.

Солнечные батареи состоят из ячеек
меньшего размера — фотоэлементов.

Чаще всего фотоэлементы
сделаны из кремния,

полупроводника, занимающего второе место
по распространённости на Земле.

В фотоэлементах батарей

кристаллический кремний расположен
между двумя проводящими слоями.

Каждый атом кремния соединён с соседними
четырьмя сильными связями,

которые удерживают электроны на месте,
поэтому ток течь не может.

И вот решение:

кремниевый фотоэлемент использует
два различных слоя кремния.

Кремний n-типа имеет избыток электронов,

а кремний p-типа — дополнительные места
для электронов, которые называют дырками.

Там, где соединяются два типа кремния,

электроны могут перемещаться
через p–n-переход,

оставляя положительный заряд
на одной стороне

и создавая отрицательный на другой.

Вы можете думать о свете
как о потоке крошечных частиц,

называемых фотонами,

которые выбрасываются Солнцем.

Когда один из этих фотонов ударяется
о кремниевую ячейку с достаточной силой,

он выбивает электрон из его связи,
оставляя дырку.

Отрицательно заряженный электрон
и место положительно заряженной дырки

теперь могут свободно перемещаться.

Но из-за электрического поля
на p–n-переходе

они будут двигаться
только в одном направлении.

Электрон перемещается в сторону n-типа,

в то время как дырка — в сторону p-типа.

Подвижные электроны собираются тонкими
металлическими штырями вверху ячейки.

Оттуда они протекают по внешней цепи,

выполняя электрическую работу,

такую, как питание электролампы,

перед тем как вернуться через проводящий
алюминиевый слой на обратной стороне.

Каждая кремниевая ячейка
выдаёт только полвольта,

но вы можете объединить их в модуль,
чтобы получить бóльшую мощность.

Двенадцати фотоэлементов достаточно
для зарядки сотового телефона,

но при этом для питания дома
требуется много модулей.

Электроны — это единственные
движущиеся части в фотоэлементах,

и все они возвращаются туда,
откуда появились.

Здесь нечему изнашиваться
или расходоваться,

поэтому солнечные батареи
могут служить десятки лет.

Что же мешает нам полностью перейти
на солнечную энергию?

Здесь замешаны политические факторы,

не говоря уже о бизнесах,
лоббирующих сохранение статус-кво.

Но сейчас давайте сосредоточимся
на физических и логистических проблемах,

и самя очевидная из них —

неравномерное распределение солнечной
энергии по поверхности планеты.

Одни области более солнечные, чем другие.

И это тоже непостоянно.

В пасмурные дни или ночью
доступно меньше солнечной энергии.

И чтобы полностью рассчитывать
на солнечную энергию,

необходимы эффективные способы
получения электричества для всех областей

и эффективное хранение энергии.

Эффективность самих фотоэлементов
также является проблемой.

Если солнечный свет отражается
вместо того, чтобы поглощаться,

или переместившиеся электроны попадают
обратно в дырки до прохождения цепи,

энергия фотонов теряется.

До сих пор самая эффективная
солнечная батарея

преобразует в электричество только 46%
доступной солнечной энергии,

а большинство коммерческих систем
в настоящее время эффективны на 15–20%.

Несмотря на эти ограничения,

было бы, на самом деле, возможно

снабжать весь мир энергией
на текущем уровне солнечной технологии.

Нам потребуется финансирование
на создание инфраструктуры

и немало пространства.

Оценки лежат в диапазоне от десятков
до сотен тысяч квадратных километров,

что кажется большой цифрой,

но только площадь пустыни Сахара —
почти 8 миллионов квадратных километров.

Между тем солнечные батареи становятся
лучше, дешевле

и конкурируют с электроэнергией
из обычной сети.

А инновации типа плавучих солнечных ферм
могут полностью изменить ландшафт.

Оставив мысленные эксперименты,

нужно признать факт,
что более миллиарда человек

не имеют доступа
к надёжной электрической сети,

особенно в развивающихся странах,

во многих из которых — солнце в изобилии.

Так что в этих местах

солнечная энергия уже намного дешевле
и безопаснее, чем доступные альтернативы,

такие как керосин.

Хотя, скажем, Финляндии или Сиэтлу

для использования эффективной солнечной
энергии пока кое-чего не хватает.