Юрий Степанович Почанин
Конструкции и монтаж фотоэлектрических модулей
В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения фотоэлементов:
–ФЭП первого поколения создаются на основе пластин кристаллического кремния;
–ФЭП второго поколения создаются на основе тонких пленок;
–ФЭП третьего поколения создаются на основе органических и неорганических материалов., а также на основе каскадных многослойных структур и развивающихся технологий, к которым относятся:
–фотоэлементы с квантовыми точками,
–фотоэлементы, сенсибилизированные красителем,
–фотоэлементы на основе полимеров,
–фотоэлементы на основе перовскита.
2.2.1. Первое поколение фотоэлементов
Первое поколение фотоэлементов – классические кремниевые элементы с традиционным p-n переходом. Как правило, это пластины из чистого монокристаллического или поликристаллического кремния толщиной 200-300 мкм. Они характеризуются высоким КПД (17-22%) и высокой себестоимостью. В последние годы производителям удалось сократить себестоимость производства их, что обеспечило укрепление их позиций на мировом рынке – около 82%
В ФЭП первого поколения используются следующие материалы:
–монокристаллический кремний (mc-Si),
–поликристаллический кремний (m-Si),
–на основе GaAs, арсени́д га́ллия – химическое соединение галлия и мышьяка,
–ribbon-технологии (EFG, S-web),
–тонкослойный поликремний (Apex).
Если основной элемент монокристаллической батареи – это искусственно выращенный монокристалл больших размеров, то другой вид светоприемников имеет полупроводниковый элемент поликристаллической структуры. Считается, что для потребления энергии Солнца оптимальным вариантом являются поликристаллические солнечные батареи. Они дешевле своего монокристаллического аналога, так как для производства используют обрезки, оставшиеся после монокристаллических элементов. Кремний при изготовлении рабочего элемента поликристаллической панели просто охлаждается из горячего расплава, что не требует высоких затрат и сложных технологий. По внешнему виду поликристалл кремния отличается от монокристалла неоднородностью цветовой гаммы, отливающей голубым и светло-синим цветом.
В настоящее время основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде (SiO2).
ФЭП на основе монокристаллической пластины из кремния представлена на рис.2.2. Отличие этих преобразователей в том, что светочувствительные ячейки направлены только в одну сторону. Это дает возможность получать самый высокий КПД – до 25%. Но при этом панель должна все время быть направлена на источник света (Солнце), иначе мощность отдачи существенно снижается. Такая панель хороша только в солнечную погоду и станет оптимальной для южных районов нашей страны.
Рис.2.2. ФЭП на основе монокристаллического кремния
Кремниевые монокристаллические панели легко узнать при визуальном осмотре. В углах элементов хорошо различимы квадратики белого цвета. Для самих же пластин характерна поверхность однородного синего цвета. Солнечным панелям монокристаллическим большой площади необходимы поворотные устройства, которые бы поворачивали конструкцию вслед за движущимся солнцем, стараясь, чтобы на лучи падали на пластину максимально близко к прямому углу. Период их эксплуатации достигает 25 и более лет.
ФЭП на основе поликристаллической пластины из кремния представлена на рис 2.3.
Рис.2.3. ФЭП на основе поликристаллического кремния
Наибольшее распространение на сегодняшний день получили модули, изготовленные на основе фотоэлектрических поликристаллических элементов. Востребованность данного типа альтернативных энергоресурсов объясняется наиболее оптимальным соотношением стоимости изделия и количества получаемой с его помощью энергии. Данную разновидность можно определить по синему цвету и кристаллической структуре образующих деталей, а установка модулей не составит особого труда. Поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму. Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого
ФЭП на основе поликристаллической пластины содержат кристаллы кремния, которые направлены в разные стороны, что дает более низкий КПД, до 20%. Однако главным преимуществом этого вида солнечных панелей является наличие отличной эффективности при плохом и рассеянном свете. Такая батарея все равно будет питать аккумуляторы в пасмурную погоду.
2.2.2. Второе поколение фотоэлементов
Второе поколение фотоэлементов так же основывается на использовании p-n перехода, однако не используют кристаллический кремний как основной материал. Обычно используются следующие материалы:
–аморфный кремний (a-Si),
–микро- и нанокремний (pc-Si/nc-Si),
–кремний на стекле (CSG),
–теллурид кадмия (CdTe),
–селенид меди -индия-галлия (CIGS).
Фотоэлементы второго поколения являются тонкопленочными, и они производятся вакуумным методом. Вакуумная технология по сравнению с технологией производства кристаллических ФЭП является менее энергозатратной, а также характеризуется меньшим объемом капитальных вложений. Она позволяет выпускать гибкие дешевые ФЭП большой площади, однако коэффициент преобразования таких элементов ниже по сравнению с ФЭП первого поколения.
Как правило, толщина поглощающего свет слоя полупроводника составляет всего от 1 до 3 мкм. Тонкопленочные фотоэлементы, представляющие собой тонкую пластину из стекла с нанесенными слоями полупроводников либо фольгу, можно размещать на поверхности любой конфигурации, а также наносить на ткани, и даже использовать вместо жалюзи.
Наиболее распространены аморфный кремний, теллурид кадмия (CdTe) и. селенид индия/галлия/меди (CIGS).
Аморфные кремниевые тонкопленочные солнечные элементы присутствуют на рынке уже более 20 лет, и a-Si, вероятно, является наиболее хорошо развитой технологией тонкопленочных солнечных элементов. Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади, не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С) и при этом можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.
Процесс производства таких фотоэлементов более автоматизирован и имеет значительно меньшую себестоимость. Основным недостатком фотоэлементов второго поколения является меньшая эффективность, по сравнению с фотоэлементами первого поколения, которая колеблется в зависимости от технологии от 7-15%. В настоящее время их доля рынка составляет около 18%.
Аморфные пластины получают путем напыления кремния и примесей в вакууме. Слой кремния наносится на прочный слой специальной фольги. Механизм их изготовления совершенно иной, чем у кристаллических фотоэлементов. Для них используется гидрид вместо чистого кремния. Его нагревают до парообразного состояния. Когда пары достигают подложки, они осаждаются на ней. Затраты на изготовления снижаются, а кристаллы не образуются (в классическом понимании). Полученные фотоэлементы в основе имеют полимерную подложку гибкую либо жесткий стеклянный лист. Современные модели комбинируют из нескольких слоев, обогащенных германием и углеродом. Это позволяет устранить главный недостаток панелей a-Si – быструю деградацию ячеек.
За последнее время коренным образом изменилась и технология нанесения слоев полупроводника. Ранее нанесение осуществлялось путем вакуумного напыления, в настоящее же время разработана инновационная технология – печатание специальными чернилами, содержащими смесь полупроводниковых наночастиц. Применение новой технологии и увеличение объемов производства привели к значительному удешевлению солнечной электроэнергии.
Разработано уже 3 поколения панелей из аморфного кремния, рис. 2.4, анализ характеристик которых дает право говорить о растущем КПД. Первые образцы отличались эффективностью, едва достигавшей 5%, у второго поколения это значение достигало 9, а у последних разработок это уже 12%.
Панели из аморфных кремниевых пластин имеют следующие преимущества:
–гибкая основа, упрощающая монтаж и расширяющая область использования;
–в рассеянном свет высокий КПД;
–стабильность при высокой температуре;
–устойчивость к повреждениям механического характера;
–независимость от загрязнений.
Рис.2.4. Панель из аморфных кремниевых пластин
При правильной эксплуатации они служат не менее 20 лет, в течение этого времени падение мощности составляет 15-20%.
Их рекомендуется использовать там, где часто наблюдается облачная и пасмурная погода. Они будут неплохо работать в условиях рассеянного или отраженного света. Также годятся они и для жаркого климата, так как лучше переносят нагревание и теряют при этом меньше мощности. Единственным минусом считается потребность в большой площади.
Теллурид кадмия считается лучшим однопереходным полупроводниковым материалом по совокупности трех показателей – поглощающая способность, надежность, стоимость. CdTe значительно производительнее кремния и намного дешевле более эффективных пленок на базе дорогостоящих германия и индия.
Подложка пленки может быть не металлической, а стеклянной, а сами ячейки – полужесткими или гибкими. CdTe отличается стабильностью, долговечностью, малой чувствительностью к изменению освещения и быстро растущим КПД новых поколений модулей.
Несмотря на то, что кадмий является токсичным веществом, его использование компенсируется вторичной переработкой материала. Тем не менее, озабоченность по этому поводу все еще существует, и поэтому широкое применение этой технологии ограничено.
Особенность строения солнечных панелей типа CIGS заключается в том, что они созданы на сульфидах редкоземельных элементов путем композитного смешения галлия, индия и меди. Такие панели являются «чемпионами» по КПД и стойкости, но стоят очень дорого.
Коммерческое применение пока ограничено только космосом и авиационной отраслью, поскольку добыча индия и галлия на планете ограничена всего несколькими сотнями тонн в год. Даже если бы все они пошли на изготовление батарей, общая мощность панелей едва достигла бы 10 ГВт.
В практике нашли применение гибридные панели, в которых объединены аморфный кремний и монокристаллы. По параметрам панели похожи на поликристаллические аналоги, рис.2.5.
Рис.2.5. Гибридные панели
Особенность гибридных панелей – лучшее преобразование солнечной энергии в условиях рассеянного света.
2.2.3. Третье поколение фотоэлементов
Третье поколение фотоэлементов также относятся к тонкопленочным технологиям, однако они лишены привычного понятия p-n перехода. Идея создания фотоэлементов третьего поколения заключалась в дальнейшем снижении их себестоимости, отказе от использования дорогих и токсичных материалов в пользу дешевых и перерабатываемых полимеров и электролитов. Важным отличием также является возможность нанесения слоев печатными методами, например, по технологии «рулон-к-рулону» (R2R). В настоящее время основная часть проектов в области фотоэлементов третьего поколения находятся на стадии исследований.
Третье поколение фотоэлементов включает в себя новейшие развивающиеся технологии, к которым относятся:
–фотоэлементы с квантовыми точками,
–фотоэлементы, сенсибилизированные красителем,
–фотоэлементы на основе полимеров,
–фотоэлементы на основе перовскита.
Перспективный вид батарей ближайшего будущего построен на свойствах физических квантовых точек – микроскопических включений полупроводников в тот или иной материал. Геометрически такие «точки» имеют размер в несколько нанометров и распределяются в материале так, чтобы охватить поглощение излучения всего солнечного спектра – ИК, видимого света и УФ. Огромным преимуществом подобных панелей является возможность работать даже ночью, генерируя около 40% максимальной дневной мощности.
Солнечные элементы с квантовыми точками (QD) состоят из нанокристаллов полупроводника на основе переходного металла. Нанокристаллы смешиваются в растворе и затем наносится на кремниевую подложку. Как правило, фотон будет возбуждать электрон там, создавая единую пару электронных дырок в обычных сложных полупроводниковых солнечных элементах. Однако, если фотон попадает в QD определенного полупроводникового материала, может быть произведено несколько пар (обычно две или три) электронных дырок.
Солнечные элементы, сенсибилизированные красителями (DSSC), были впервые разработаны в 1990-х годах и имеют многообещающее будущее. Они работают по принципу искусственного фотосинтеза и состоят из молекул красителя между электродами. Эти элементы экономически выгодны и имеют преимущество легкой переработки. Они прозрачны и сохраняют стабильность и твердое состояние в широком диапазоне температур. Эффективность этих ячеек достигает 13%.
Перспективными считаются фотоэлементы на основе мезопористых (с наноразмерными порами) оксидных полупроводников, покрытых органическим красителем. Эти ячейки прославили имя профессора и получили название «ячейки Гретцеля». Они используют принцип, похожий на органический фотосинтез: поглощение квантов света молекулами органического красителя и протекание окислительно-восстановительных реакций при облучении солнечным светом. На рис.2.6. схематично приведено устройство ячейки Гретцеля. Конструктивно простейшая ячейка Гретцеля состоит из пластинки оптически прозрачного стекла с токоприемниками и электропроводящим покрытием, на которую нанесен слой из высокопористого диоксида титана, являющегося полупроводником. Поры диоксида титана пропитаны специальным органическим красителем, выделяющим электроны под воздействием солнечного света.
Рис.2.6. Принципиальная схема фотоэлектрической ячейки Гретцеля
Пластина, на которую нанесён диоксид титана – это анод ячейки. Катодом ячейки является противоположный электрод, который обычно называют противоэлектродом–это токопроводящая подложка другой пластины, на которую в прототипе ячейки был нанесён платиновый подслой– катализатор. Между электродами – токопроводящий электролит (в первоначальном варианте – трийодит в жидкой форме). Принцип работы такого фотоэлемента следующий. Свет проходит через прозрачную подложку и поглощается фотоактивным красителем. Далее эти электроны диффундируют через слой полупроводника к прозрачному проводящему электроду (токоприёмнику) за счет градиента концентрации. Электролит замыкает электрическую цепь и позволяет подходить электронам от катода с платиновым покрытием к полупроводнику, где происходит рекомбинация электронов и «дырок». Таким образом, при достижении порогового значения количества выделяемых электронов образуется электрический ток, который течет от верхнего слоя ячейки к нижнему. Ячейка Гретцеля принципиально отличается от классических фотобатарей на основе кремния. Полупроводник диоксид титана выполняет исключительно роль среды, в которой происходит транспорт (диффузия) фотоэлектронов, генерируемых фотовозбужденным красителем. В кремниевых фотоэлементах полупроводник кремний выполняет двойную функцию – генерирует фотоэлектроны и является средой для транспорта электронов. В ячейке Гретцеля краситель, выступая в роли фотосенсибилизатора (т.е. вещества с увеличенной чувствительностью к воздействию света), играет главенствующую, доминирующую роль, а остальные компоненты –анод из диоксида титана, электролит, катод – играют вспомогательную роль. Работа такой ячейки часто сравнивается с фотосинтезом, поскольку оба процесса используют пигменты и окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите.
Теоретически, в улучшенном варианте, ячейка Гретцеля сможет стать основным источником энергии для солнечных районов планеты, благодаря её максимальной экологичности и близости к природе.
Фотоэлементы, в которых используются красители в качестве фотосенсибилизаторов, получили сокращённое англоязычное обозначение DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell). К основным достоинствам солнечных батарей на красителях следует отнести их лёгкость, принципиальную возможность создавать гибкие конструкции, простоту производства, низкую цену при использовании доступных и недорогих компонентов и веществ, широкий выбор цвета, способность работать при невысокой освещенности и даже внутри помещения. Недостатки DSSC: недостаточная долговечность, относительно невысокий на настоящее время КПД (в районе 10%), экзотичность химического строения красителей. Последний недостаток компенсируется использованием природных красителей.
Полимерные солнечные элементы считаются «гибкими», так как используемая подложка является полимером или пластиком. Они состоят из тонких функциональных слоев, последовательно соединенных между собой и покрытых полимерной пленкой или лентой. Обычно он работает как комбинация донора (полимера) и ресивера (фуллерена). Существуют различные типы материалов для поглощения солнечного света, в том числе органические материалы, такие как конъюгат-полимер. Особые свойства полимерных солнечных элементов открыли новый путь для разработки гибких солнечных устройств, в том числе текстильных и тканевых.
Большинство технологий основаны на применении органических полимерных материалов. Несмотря на низкий КПД (лабораторный рекорд на сегодня – 10,8%, коммерческие прототипы – до 7%) панели на органической основе 3-го поколения сегодня активно исследуются. Для полимеров органического происхождения характерны следующие важные черты:
–простота и дешевизна создания;
–отсутствие проблем с утилизацией;
–неограниченность сфер применения;
–возможность изготовления в прозрачном виде.
Подобные панели практически невесомы, а при использовании технологии «tandem solar batteries» (тандемное соединение) их можно встраивать в окна и регулировать прозрачность.
Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов. При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие.
В настоящее время третье поколение фотоэлементов включает в себя разнообразные технологии, такие как перовскитовые солнечные элементы, которые основаны на соединениях перовскита (комбинация двух катионов и галогенида). Эти солнечные элементы основаны на новейших технологиях. Органо-неорганические материалы, имеющие перовскитную структуру, – это совершенно новая форма фотоэлектрических преобразователей. Перовскит представляет собой минерал преимущественно черного или красновато-коричневого цвета с оригинальной структурой кристаллической решетки. Он богат содержанием примесей титана, ниобия, железа, церия, кальция, тантала. Структура перовскита настолько уникальна, что эти материалы были представлены в различных модификациях – от нанопленок до нанонитей. Классический» перовскит – это CaTiO3, рис.2.7, кристаллы которого имеют псевдокубическую (нарушенную кубическую) структуру.
Рис.2.7. Перовскит CaTiO3
Однако, тем же именем принято называть и другие материалы с такой же структурой. Сам титанат кальция состоит из атомов трех типов: А (атомы кальция), В (титана) и Х (иногда их называют С, атомы кислорода). Причем А находится в центре псевдокубических структур, В – в угловых узлах псевдокуба, а С образуют вокруг В восьмигранники, на шести вершинах которых находятся как раз по шесть атомов кислорода. В этой стандартной структуре практически любой из атомов обычной схемы ABX3 может быть заменен на относительно сходный по свойствам. И структура в целом при этом сохранится. При этом А—всегда большой катион (положительно заряженный ион), В—всегда катион меньшего размера чем А, а Х—всегда анион (отрицательно заряженный ион). Даже среди природных минералов часто встречаются те, в которых А был не кальцием, а, например, церием, да и В—не титаном, а ниобием или танталом.
Специфическая пространственная структура кристаллов перовскита дает им массу необычных свойств. Наиболее значимой зоной использования перовскитных материалов сейчас считается солнечная энергетика. Причины просты: КПД таких материалов к 2020 году взлетел до 25,2 %– и это для однослойных фотоэлементов. Лучшие серийные кремниевые солнечные батареи имеют КПД в те же 25%. Тут перовскиты догнали своего основного конкурента. Есть у перовскитов здесь и преимущество, недоступное обычным кремниевым панелям: слегка изменяя состав слоев такого материала, можно сдвинуть ширину его запрещенной зоны—такого значения энергии электрона, которой он в данном материале иметь не может. За счет этого такие слегка отличающиеся друг от друга перовскиты будут чувствительны к несколько разным длинам световых волн. Считается, что перовскитная пленка толщиной всего в 500 нанометров может содержать достаточно слоев, чтобы эффективно генерировать электричество сразу от всех участков видимого диапазона. Поэтому на их основе легко создать двух- и более многослойные материалы с КПД выше, чем у кремния.
Другая положительная особенность перовскитных фотоэлементов: их можно получить простым осаждением из раствора, примерно, как печатаемые буквы в струйном принтере. Это большой плюс на фоне кремниевых батарей, требующих сверхчистого кремния, вакуумных камер и очень непростого процесса его осаждения на подложку.
Наряду с такими очевидными достоинствами типичные перовскитные фотоэлементы имеют и серьезные недостатки. Самый популярный в перовскитной фотовольтаике тип соединений – йодид свинца-метиламмония с общей формулой CH3NH3PbX3, где X, как правило, йод или бром/хлор. При контакте такого соединения с водой и кислородом, а также при периодическом нагреве, оно может быть химически нестабильным и быстро деградировать с разрушением своей структуры. Для ее стабильности опасен и остаточный слой йодида свинца, остающийся рядом с конечными кристаллами перовскита после окончания процесса его получения (цикла осаждения). Единственное, что в настоящий момент не позволяет запустить перовскитные панели, рис. 2.8, в промышленное производство–это сравнительно невысокие показатели устойчивости к перегреву и восприимчивости ультрафиолетового излучения материалов с так называемой перовскитной структурой, причем материалы эти были представлены в различных модификациях – от нанопленок до нанонитей.
Рис. 2.8. Солнечная перовскитная панель
В Калифорнийском университете в Дэвисе под руководством профессора Д. Мандея проводятся работы по созданию нового типа солнечного элемента, который потенциально может работать круглосуточно. При благоприятном завершении работ будет создана интересная возможность сбалансировать энергосистему в течение цикла день-ночь. В настоящее время создана терморадиационная ячейка, которая генерирует электрический ток, поскольку излучает инфракрасный свет (тепло) в направлении холода ночного неба. Обычная солнечная панель генерирует энергию, поглощая солнечный свет, что и вызывает появление напряжения в устройстве. В новом устройстве свет будет не поглощаться, а излучаться, но при этом все равно будет происходить генерация энергии», поясняют авторы. Согласно подсчетам исследователей, солнечные «фермы» могут производить до 50 Вт электроэнергии на квадратный метр в идеальных условиях.
Учёные из Государственной лаборатории Айдахо близки к завершению работ над своей новой разработкой – сверхтонкой солнечной панелью, которая значительно ниже по себестоимости за счёт использования гибких материалов и сможет получать солнечную энергию после захода солнца. Технология включает в себя встроенные квадратные спирали из токопроводящего металла на пластмассовом листе. Эти спирали можно назвать «наноантеннами», так как их диаметр составляет всего 1/25 толщины человеческого волоса. Наноантенны могут получать энергию, как от солнечного света, так и от тепла, выделяемого землёй, поэтому они намного будут более эффективны и потенциально более широко применимы, чем традиционные солнечные элементы.
Победа над солнцем: кто изобрел кремниевые батареи
Как шла работа над первыми эффективными фотоэлементами, какой мельнице хватало энергии от первого такого устройства и кому работы по фотоэффекту принесли Нобелевскую премию, рассказываем в рубрике «История науки».
25 апреля 1954 года перед членами Национальной академии наук США предстали трое изобретателей из Лаборатории Белла: электрик Дэрил Чепин, физик Джеральд Пирсон и химик Кельвин Фуллер. Пирсон до этого работал в группе Уильяма Шокли, одного из создателей биполярных транзисторов, над схожими проблемами работал и Фуллер, Чепина интересовали альтернативные источники энергии. В 1953 году, услышав, что Чепин пытается усовершенствовать существовавшие на тот момент фотоэлементы, использующие селен, Пирсон предложил ему собственные разработки кремниевых элементов. Коллеги представили самую эффективную на тот момент солнечную батарею.
Результат не заставил себя ждать: тесты показали, что КПД элементов Пирсона составляет 2,3%, то есть в пять раз выше, чем удавалось добиться от селениевых. Чепин тут же забросил их и переключился на исследования кремниевых фотоэлементов. Расчеты показывали, что в идеальных условиях они могут работать с эффективностью в 23%, что звучало весьма многообещающе. Инженер, будучи реалистом, поставил цель достичь 6%, что считалось достаточным, чтобы фотоэлементы стали всерьез рассматриваться как источники энергии.
Кальвин Фуллер готовит кремниевые солнечные элементы
Чепин вместе с Фуллером и Пирсоном стали пробовать различные материалы и конструкции. Хотя иногда работа стопорилась и инженеры были близки к отчаянию, шаг за шагом они приближался к цели. Заметив, что часть солнечного света отражается, они стали закрывать панели прозрачным матовым пластиком. После серии улучшений инженерам удалось добиться желанных 6%.
Один из сыновей Фуллера, Роберт, рассказывал такую историю: «В 1954 году я приехал на каникулы из колледжа повидать родителей. В тот вечер мой отец, Кальвин Фуллер, пришел домой с каким-то квадратом, из которого торчали провода. Это устройство было присоединено к маленькой электрической мельнице на столе. Он посветил ярким фонариком на эту квадратную штуку, которая была на самом деле солнечной батареей, и крылья мельницы стали поворачиваться. Это было удивительно: свет фонарика давал энергию для крошечной мельницы».
Проверив результаты и убедившись в их надежности, изобретатели продемонстрировали свое детище на пресс-конференции во время ежегодного съезда Академии наук. Руководство лаборатории позаботилось о том, чтобы созданные фотоэлементы стали сенсацией, и им это удалось. На следующий день изобретение попало на первые полосы газет, например The New York Times. Как отмечала газета, создание эффективных фотоэлементов «означает начало новой эпохи, которая приведет к осуществлению одного из заветных желаний человечества — получить от солнца практически неограниченное количества энергии для нужд цивилизации».
Конечно, такие изобретения не делаются на пустом месте. Свою лепту в создание солнечных батарей внес и французский физик Эдмон Беккерель (отец Антуана Анри Беккереля, одного из первооткрывателей радиоактивности), изучавший фотоэлектрический эффект, и английский инженер Уиллоуби Смит, обнаруживший фотопроводимость селена, и американский изобретатель Чарльз Фриттс, создавший первый фотоэлемент из селена с золотом, и немецкий физик Генрих Герц, наблюдавший внешний фотоэффект (его использовал в своем фотоэлементе Александр Столетов, также немало сделавший для исследований в этой области). Поучаствовал в деле и Альберт Эйнштейн, который получил за теоретическое обоснование фотоэффекта Нобелевскую премию. И даже такой внушительный список не может вместить всех, кого стоило бы упомянуть.
Материалы для изготовления полупроводников и строение фотоэлемента
Солнечная энергия. Использование солнца как источника электрической энергии. Солнечные термоэлектрические и фотоэлектрические преобразователи. Термодинамическое преобразование солнечной энергии в электрическую. Солнечные электростанции.
В 1996 году на Всемирной встрече по проблемам солнечной энергии (г.Хараре, Зимбабве) приняты «Всемирная солнечная программа» и «Харарская Декларация по солнечной энергетике и устойчивому развитию», определившие, что солнечная энергия должна играть заметную роль в обеспечении энергией, сохранении использования природных ресурсов и уменьшении деградации окружающей среды.
Источник лучистой энергии — Солнце — ближайшая к Земле звезда, раскалённый плазменный шар радиусом 696 тыс.км. Солнце вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Земля. Светимость Солнца 3,86х10²³ кВт, эффективная температура поверхности около 6000 К, химический состав: водород — около 90% , гелий – 10%, другие элементы – менее 0,1%.
Источник энергии Солнца – ядерные превращения водорода в гелий в центральной области Солнца, где температура около 15 млн К. Энергия из недр Солнца к его поверхности переносится излучением, а затем во внешнем слое, толщиной около 0,2 радиуса шара – конвекцией. Конвективное движение плазмы определяет наличие фотосферной грануляции — солнечных пятен. Интенсивность плазменных процессов на Солнце периодически – через 11 лет меняется. На Землю, находящуюся от Солнца на расстоянии 149 млн км поступает поток солнечной лучистой энергии мощностью около 2 10 17 Вт.
Солнечный спектр можно разделить на три основные группы:
— ультрафиолетовые излучение (длины волны до 0,4 мкм) – 9% интенсивности;
— видимое излучение (длины волны от 0,4 мкм до 0,7 мкм) – 45% интенсивности;
— инфракрасные (тепловое) излучение (длины волны более 0,7 мкм) – 46 % интенсивности;
Для количественной оценки излучения применяется величина, называемая интенсивностью.
Интенсивность Ес[Вт/м 2 ] – эта мощность лучистой энергии, приходящей за пределами земной атмосферы в секунду на квадратный метр площади, перпендикулярной солнечным лучам.
При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном за счет поглощения излучения парами воды – облаками (инфракрасное излучение), озоном (ультрафиолетовое излучение), частицами пыли, золы, дыма и аэрозолей, за счет рассеяния светового потока молекулами газов. Все эти поглощения света образуют понятие – оптическая плотность атмосферы или атмосферная масса (АМ).
При нулевой атмосферной массе АМ0 на верхней границе атмосферы и в космическом пространстве интенсивность излучения равна Ес = 1360 Вт\м².
Величина атмосферной массы АМ1 соответствует оптической плотности чистого безоблачного неба над уровнем моря при расположении Солнца в зените.
Стандартной величиной атмосферной массы является АМ1,5 при θ = 41° 49′ , при которой плотность солнечного излучения Ес = 835 Вт\ м².
В диапазоне оптических частот существенно проявляется квантовый характер электромагнитного излучения и двойственность природы света – волновая и корпускулярная.
Квант электромагнитного излучения – ФОТОН — элементарная частица, обладающая нулевой массой покоя и скоростью, равной скорости света. Она не имеет ни электрического заряда, ни магнитного момента. Энергия фотонов hν=[ эВ], в излучении с длиной волны λ определяется соотношением
где h=6,63∙10 -34 Дж∙ с – постоянная Планка;
с= 2,99∙10 8 м/с — скорость света;
λ – длина волны, мкм.
Электрон-вольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1В.
1 эВ =1,6∙10 -19 Дж.
Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны Еg: λгр= 1,24/ Еg.
Более длинноволновое излучение не поглщается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.
Запрещенная зона — зона, характеризующаяся отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных материалов.
Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов:
– широты и долготы местности;
– географических и климатических особенностей; – состояния атмосферы;
– высоты Солнца над горизонтом;
– размещение приемника солнечного излучения на Земле;
– размещение приемника солнечного излучения по отношению к Солнцу и т. д.
Суммарное солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, обычно состоит из трех составляющих:
1. Прямое солнечное излучение, поступающее от Солнца на приемную площадку в виде параллельных лучей.
2. Диффузионное или рассеянное молекулами атмосферных газов и аэрозолей солнечное излучение.
3. Отраженнаяземной поверхностью доля солнечного излучения.
Классификация солнечных энергетических установок.Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:
– по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии – тепло или электричество;
– по концентрированию энергии – с концентраторами и без кон-центраторов;
– по технической сложности – простые (нагрев воды, сушилки, на-гревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные.
Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два подвида.
Первый базируется в основном на системе преобразования сол-нечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К таким установкам относятся башенные солнечные электрические станции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения.
Второй подвид солнечных энергетических установок базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок.
В настоящее время в мире и в России наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок:
– солнечные фотоэлектрические преобразователи.
Термоэлектрическиепреобразователи
В основе прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электричество лежит эффект Зеебека, открытый в 1821 году. Если спаять концами два проводника разного химического состава и поместить спаи в среды с разными температурами (рисунок 1), то между ними воз-никает термо-ЭДС:
где Т1– абсолютная температура горячего спая; Т2– абсолютная температура холодного спая; α– коэффициент пропорциональности.
В цепи проводников возникает ток I , причем горячий спай за секунду поглощает теплоту из нагретого источника в количестве Q = αT1I , а холодный спай отдает теплоту низкотемпературному телу в количестве
Рисунок 1 – Конструкция термоэлектрического преобразователи
Q2= αT2I . Разность подведенной и отведенной теплоты составляет секундную работу тока L, Вт:
Отношение работы к подведенной теплоте есть термический КПД процесса преобразования:
(4)
Таким образом, КПД идеального термоэлектрического преобразователя совпадает с термическим КПД цикла Карно и полностью определяется абсолютными температурами холодного и горячего спаев. В реальных преобразователях имеют место потери из-за электрического со-противления проводников, их теплопроводности и термического сопротивления теплообмену спаев с окружающими средами. Поэтому дейст-вительный КПД установки равен:
(5)
где 
1 – относительный электрический КПД преобразователя.
При использовании металлических термоэлектродов КПД термо-электрических преобразователей очень мал – не превышает сотых долей процента.
Значительный эффект дает применение полупроводников – КПД возрастает до величины порядка 10 %..
В современных термоэлектрических генераторах полупроводниковые термоэлементы, в которых горячие спаи нагреваются солнечными лучами, соединены последовательно. Такого рода генераторы применяются в качестве автономных источников электроэнергии для потребителей малой мощности – маяков, морских сигнальных буев, космических аппаратов и т. п.
Термогенераторы бывают низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.
Максимальная рабочая температура самых распространённых термоэлектрических генераторов – 200-250°C (они относятся к классу низкотемпературных). Их типовые размеры – 3 х 3 и 4 х 4 сантиметра. Напряжение, ток, мощность – порядка 2В, 1А, 2Вт (при температурах холодного / горячего спая 50 — 150 °С). Конечно, такие термоэлементы не бросишь в костёр или печь. Температура пламени костра и горячих углей достигает от 300 до 600-1200 градусов по шкале Цельсия.
Фотоэлектрическиепреобразователи
Фотоны взаимодействуют электромагнитным образом со всеми элементарными частицами, создают процессы – излучение, поглощение, упругое рассеяние энергии. Под действием потока фотонов в некоторых полупроводниках возникает внутренний фотоэффект, при котором происходит переход носителей зарядов из связанного состояния в свободное и скопление их на p – n переходах, создающее разность потенциалов на поверхностях элемента.
Вентильный фотоэффект или фотоэлектрический эффект – это возникновение ЭДС в системе, содержащей контакт двух разных полупроводников или полупроводника и металла при поглощении квантов излучения оптического диапазона.
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует эн ергию фотонов в электрическую энергию. Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 10-18 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД около 44,7 %.
Материалы для изготовления полупроводников и строение фотоэлемента
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах(т.е. в фотоэлементе, состоящего из двух полупроводников разной проводимости) при воздействии на них солнечного излучения.
Для получения этого эффекта используются специальные вещества – полупроводники. Они бывают двух типов: с p- и n-проводимостью. N-проводимость означает избыток электронов в веществе, p-, соответственно, — их недостаток
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена:
— легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), например, кремний с добавкой фосфора для получения слоя с n-проводимостью (электронная проводимость), кремний с добавкой бора для получения слоя с р-проводимостью (дырочная проводимость;
— путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов);
— за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур).
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры (фотоэлемента) а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость.
Среди фотоэлектрических установок условно выделяют несколько типов по применяемому в производстве материалу (в порядке уменьшения КПД):
· арсенид галлия (жесткие, тяжёлые модули с КПД 10-25%, сохраняют работоспособность до температур +150°С, спектр 0.5-0.9 – "видимый", дорогие);
· монокристаллический кремний и поликристаллический кремний (жесткие, КПД 12-20% – уменьшается при нагреве — 0.45%/°С считая от +25°С, спектр 0.5-1.0 – "видимый + инфракрасный");
· аморфный кремний (гибкие батареи, КПД 5-10%, спектр 0.2-0.7 – "ультрофиолет+видемый");
· сульфидно-кадмиевые (тонкоплёночные – гибкие, КПД 5-10% – стабилен до температур +100°С, спектр 0.2-0.7– "ультрафиолет");
· CIGS – медь, индий, галлий и селен.
Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:
– почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ши-рина запрещенной зоны 1,43 эВ;
– повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;
– высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эф-фективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;
– относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
– характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет воз-можности при проектировании солнечных элементов.
Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать солнечные элементы на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.
Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) — второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема — его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. Перспективными считаются соединения меди, индия, селена, галлия и кадмия, а также органические фотоэлементы.
На основе кремния производятся фотопанели трех видов:
1 Из монокристаллов. Для их изготовления выращиваются монокристаллы с однородной структурой. В результате такие фотоячейки отличаются равномерной поверхностью и, как следствие, лучше поглощают солнечные лучи. Иными словами, их КПД выше, чем у других видов, но при этом они стоят несколько дороже. Эти ячейки имеют вид квадратов со скошенными углами или многоугольников, что объясняется формой монокристаллической кремниевой заготовки.
2 Из поликристаллов. Такие ячейки имеют неоднородную, поликристаллическую, структуру. Их светопоглощение несколько ниже, чем у моноячеек, поскольку неравномерная поверхность отражает часть лучей.
3 На тонких пленках. Принцип работы таких солнечных батарей аналогичен кристаллическим. Но выпускаются они в виде гибких ячеек, которые можно устанавливать на криволинейных поверхностях. Эти батареи дешевы в производстве, и довольно эффективны, но для бытовых целей применяются редко, поскольку по сравнению с кристаллическими занимают большую площадь (примерно в 2,5раза) на единицу мощности.
Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к погло-щению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина за-прещенной зоны – 1,0 эВ).
Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, ис-пользующие органические материалы. Коэффициент полезного дейстия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок –
Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Плен-ки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологиче-ски несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.
Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты — около1%КПД.
Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии.
Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из алюминиевой подложки, двух слоев полупроводников с разной проводимостью, защитного антибликового стекла и отрицательных электродов (рисунок 2 ). К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость).
Принцип действия фотоэлемента
Контакт p—или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего важную роль в работе солнечного фотоэлемента.
Рассмотрим причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд.
Рисунок 2 — Строение фотоэлемента
Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, – вернуть электроны в n-область.
Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате устанавливается равновесное состояние: в области p-n перехода возникает потенциальный барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию.
Рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах. При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются «пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве.
Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода. Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупроводнике p-типа.
В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов – фотоЭДС, или напряжение в режиме холостого хода. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту потенциального барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов – накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера – при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности свет, достигая насыщения при больших освещённостях.
При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность.
130-летие создания первого фотоэлемента и 90 лет первой технической системы охраны
130-летие создания первого фотоэлемента и 90 лет первой технической системы охраны
26 февраля 1888 года заслужено считается одним из замечательных дней в истории науки и техники. В этот день русский ученый Александр Григорьевич Столетов (1839-1896) осуществил опыт, наглядно продемонстрировавший внешний фотоэффект и показавший характер влияния света на электричество.
Преобразование оптического сигнала в электрический основывается на явлении фотоэффекта. Впервые прямое влияние света на электричество было обнаружено немецким физиком Г. Герцем в 1887 г. Герц установил, что заряженный проводник, будучи освещен ультрафиолетовыми лучами, теряет свой заряд, а электрическая искра возникает в искровом промежутке при меньшей разности потенциалов. Замеченное явление было описано Герцем в его статьях 1887-1888 годов, но оставлено им без объяснения. И это неудивительно: электрон будет открыт Джозефом Джоном Томсоном лишь в 1897 году, а без упоминания об электроне объяснить фотоэффект невозможно, это сделал А. Эйнштейн в 1905 г.
Однако 26 февраля 1888 года заслужено считается одним из замечательнейших дней в истории науки и техники и. В этот день русский ученый Александр Григорьевич Столетов (1839-1896) осуществил опыт, наглядно продемонстрировавший внешний фотоэффект и показавший характер влияния света на электричество. В мае 1887 г. была послана в печать статья Герца, а уже в феврале 1888 г. начал свою работу Столетов. В том ж году, появляются одна за другой три его публикации. Все работы длились менее двух лет, и приходится удивляться, как много был сделано за такой коротки период одним человеком, занятым при этом в основном преподавательской деятельностью. «Ученый с невозможным характером» – так называли Александра Григорьевича Столетова его современники, в основном за суровость на экзаменах. Александр Григорьевич Столетов родился летом 1839 года в небогатой купеческой семье. После окончания Московского университета Александр Григорьевич был оставлен в нём для подготовки к профессорскому званию. В 1862‒66 гг. он стажировался в Берлине у Г. Магнуса, Г. Кирхгофа, В. Вебера.
В своем опыте Столетов использовал наполненный газом стеклянный баллон, в котором находятся два электрода. Позже этот элемент стали называть «газонаполненный фотоэлемент». Баллоны фотоэлементов, после откачки воздуха, и сегодня наполняют разреженным газом — неоном или аргоном. Присутствие этих газов в фотоэлементе повышает его чувствительность. Электроны, вылетевшие из катода, сталкиваясь с атомами газа, могут ионизировать их. В результате таких столкновений возрастает число электронов, попадающих на анод, и сила тока увеличивается.
В первые десятилетия своего существования фотоэлемент был только физическим прибором. Он служил для научных исследований, но практического применения ему не находилось. Инженеры, совершенствуя фотоэлемент, ничего по существу в нем не изменили. Основные части прибора оставались теми же, что были и у Столетова: два электрода — чувствительный к свету катод с большой поверхностью; анод, имеющий вид небольшого колечка или сеточки; батарея или другой источник постоянного тока. Когда на катод фотоэлемента падают световые лучи, через прибор идет ток. Через усилитель фотоэлемент может приводить в действие реле — автоматический выключатель тока.
Первое упоминание о создании устройства технических средств охраны помещений относится к 1928 году, когда для развития технологии звукового кино концерны Siemens & Halske и AEG организовали компанию Klangfilm GmbH. Одной из самых важных деталей, используемых в то время в кинопроекторах для получения звука при просмотре звуковой киноленты, считался газонаполненный фотоэлемент с внешним фотоэффектом, уже имевшийся в макетном варианте у дочерней компании Simens & Halske фирмы OSRAM GmbH KG. Тогда же, в 1928 году, старейший банк Германии Berenberg Bank (Joh. Berenberg, Gossler & Co. KG) обратился в правление компании Siemens с просьбой оборудовать все его филиалы современной охранной сигнализацией, размещенной как в хранилищах, так и в офисных помещениях. Фактически, выражаясь современным языком, компании Siemens & Halske предложили в конце 1928 года создать ТСО помещений на основе последних научных достижений. Примечательно, что аналогичная система ТСО была впоследствии установлена в здании личной резиденции А. Гитлера «Бергхоф» («Дом Вахенфельд»).
В середине 20-х годов британская компания Radiovisor и германская Simens & Halske практически одновременно предложили для потребителей серийный образец охранной сигнализации на основе инфракрасных лучевых систем, предназначенной для контроля помещений. Принципиальная схема работы данной сигнализации базировалась на размещении в охраняемом помещении лампы с фильтром, испускающей лучи невидимого спектра, то есть инфракрасные. На противоположном конце пучка света длиной 940 мк устанавливался фотоэлектрический приемник (еще можно его назвать фотоэлектрический цезиевый элемент). При этом через фотоэлемент проходил слабый электрический ток, удерживающий при помощи электромагнита все исполнительные органы от действия. При прерывании луча нарушителем, зашедшим в помещение, прекращается подача тока на фотоэлемент, в результате чего срабатывает звуковая сигнализация. Данная система охранной сигнализации нашла широкое применение в Западной Европе, Великобритании и США уже с начала 30-х годов прошлого века – например, компания из ЮАР De Beers уже с 1932 года начала применять на своих складских помещениях инфракрасные лучевые системы, или, как их еще называют оптические лучевые инфракрасные сигнализаторы, разработанные британской компанией Radiovisor.