Модерницация фотоэлемента.

В нашем современном мире, где наука развивается быстрым темпом, сложно определит определенную область науки, которая более преспективнее чем остальные. Одной из преспективных областей науки является исследование направленные на получения дешевой энергии. Ближайшем будущем закончиться все мировые запасы сгораемой топливы: уголь, нефть и т.д., поэтому остается развивать и исследовать возобновляемых источников энергии, таких как ветроэнергетика, гидроэнергетика, солнечная энергия, биоэнергетика, геотермальная энергия и конечно ядерная энергетика. Вне конкуренции, конечно, является ядерная энергетика. Несмотря на это я предлагаю рассматривать вопрос солнечной энергетики. Есть свои минусы и плюсы солнечной энергии. В этой статьи я предлагаю пути их решения.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

где - работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества),   - кинетическая энергия вылетающего электрона,  — частота падающего фотона с энергией , h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона. Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Фотоэлемент – устройства состоящий из полупроводников, например, германий. По существу, когда свет попадает на фотоэлемент, определенная его часть поглощается материалом полупроводника. Это означает, что энергия поглощенного света передается полупроводнику. Эта энергия освобождает электроны, позволяя им течь свободно. У всех фотоэлементов также есть одно или несколько электрических полей, которые заставляют электроны, освобожденные световым поглощением (абсорбцией), течь в определенном направлении. Это течение электронов и представляет собой ток, и при помощи установленных сверху и снизу металлических контактов фотоэлементов мы можем извлечь этот ток для внешнего использования. Например, этот ток может питать калькулятор. Этот ток, вкупе с напряжением элемента (которое является результатом его внутреннего поля или полей) определяет энергию (или мощность), которую фотоэлемент может выработать.

Принцип работы солнечной батарей следующее. Основой устройства является поверхность соприкосновения двух типов кремния, которые предусматривает конструкция фотоэлемента. Поскольку верхняя часть элемента прозрачна, солнечный свет без препятствий падает непосредственно на кремний. Положительный электрод сделан в виде ребер жесткости из металла, которые соединяют проводами. Отрицательный электрод  представляет собой металлическую подложку, которая в свою очередь находится в контакте с кремниевыми пластинами фотоэлемента. 

При попадании солнечного света на поверхность фотоэлемента, между двумя типами кремния возникает разница так называемых потенциалов или электрическое напряжение. При подключении к элементу нагрузки сила тока возрастает пропорционально яркости солнечного света, вплоть до определенного критического значения. При усилении интенсивности освещения сила тока достигает максимума и выравнивается. Такой максимум называется током насыщения. Отношение вырабатываемой электроэнергии к силе света падающего на фотоэлемент называется коэффициентом преобразования или коэффициентом полезного действия (КПД).

Для конструирования солнечной батареи не нужно чего-то особенного. Фотоэлектрические ячейки (один фотоэлемент) можно объединить в последовательно-параллельные соединения, повышая тем самым выходную мощность всей панели. Когда несколько фотоэлементов соединяются в цепь последовательно, их выходное напряжение увеличивается. Когда такие конструкции далее подсоединяются параллельно, их максимальная сила тока эквивалентна произведению максимальной силы тока одной ячейки или их последовательной комбинации, на количество таких ячеек или их последовательных комбинаций. При этом максимальная мощность последовательно-параллельного соединения одинаковых ячеек эквивалентна произведению максимальной мощности каждой ячейки на количество ячеек.

 Таким образом, если последовательно соединенные ячейки представляют собой фотоэлектрический модуль, то несколько таких модулей, соединенных параллельно, образуют солнечную фотоэлектрическую панель или, в простонародье, солнечную батарею.

Возможности использования солнечной энергетики ограничиваются очень низкой плотностью энергии, а также колебаниями её во времени, что приводит к огромной площади коллекторов солнечного излучения и большой материалоёмкости производства энергии. Например, в зимнее время года или в ночное время.

Фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием света. Фотоэффект происходит под действием электромагнитного излучение, а электромагнитное излучение это не только фотоны. Новым источником для работы фотоэлемента может стать космические лучи, так как они обладают огромной энергией. Фотоэлемент работающий под действием космических лучей будут работать круглосуточно независимо от времен года. Но основной проблемой является вопрос, каким образом мы это сделаем.

Известно, что поток и энергия космических лучей колоссальные, от нескольких эВ до нескольких ТэВ. Еще известно, что частицы прходя через так называемых сцинтилляторов дают вспышку, и наша идея в том, что использовать эти вспышки для работы фотоэлемента. Данная методика еще не изучена и изучается не всеми. В данный момент я начал изучать этот метод и дальнейшие результаты напишу в следующей статье.

Ближайшем будущем люди научится этой методики и мы можем пользоваться солнечными батареями круглосуточно. Будушее за физикой высоких энергиии.

Литература:

1. Н.О.Чечик /Фотоэлементы и их применение/ 1955 г, М., с 574.

2. В.С.Мурзин/Введение в физику космических лучей/1979г.,М.,с 304.