Vibe Images / Shutterstock Електрика нас оточує. Чи то в мережах силових кабелів, що покривають кожну розвинену країну, чи течіях, що курсують по людському кровотоку, щоб тримати серце, серце б’є, електрика керує нашим життям. Це забезпечило великі досягнення минулого століття, і голод за більшими - і більш ефективними - засобами виробництва електроенергії постійно зростає.
Виробництво величезної потужності, яка живить земну кулю, не є малим завданням, особливо враховуючи, що воно вимагає ненажерливого споживання таких ресурсів, як вугілля та газ. Однак природні ресурси обмежені, а процеси їх видобування та використання часто руйнівні. У міру розвитку технологій та збільшення чисельності населення в світі чиста та відновлювана енергія стане святим Граалем. Методи дослідження відновлюваних джерел енергії включають такі методи, як холодний термоядерний синтез, але наразі це мрії. Однак існує велике і жахливе джерело енергії, яке, якщо не безмежне, триватиме мільярди років. Джерелом, про яке ми говоримо, є сонце; серце Сонячної системи та найбагатше джерело енергії, яке ми можемо досягти.
Стародавні культури часто шанували сонце як бога, як за його сліпучий вигляд, так і за здатність змушувати вирощувати врожаї. Хоча поклоніння Атону та Геліосу, можливо, вимерло, Сонце продовжує чинити первинний вплив на нашу планету, чи то живлячи ріст цілих екосистем, чи то вбиваючи їх посухою. Тепер, за останніх технологічних розробок, сонце може навіть забезпечити нам необмежену потужність вперед.
Процес перетворення світла в електрику відомий як "фотоелектричні елементи". Слово фотоелектричне походить від грецького слова “фос” (світло) та терміна вольт, одиниця виміру для електрорушійної сили. Фотоелектричні елементи - це пристрої, сконструйовані для захоплення сонячного світла та перетворення його в корисну електроенергію. Сонячні панелі, великі поверхні, які збирають сонячне світло і перетворюють його в електрику, виготовлені з безлічі фотоелектричних елементів, які здійснюють процес генерації електричного заряду від сонячного світла.
Напівпровідники: допінг без скандалу
Сонячна батарея виготовлена з напівпровідного матеріалу, такого як кремній. Напівпровідники потрапляють між провідниками та ізоляторами з точки зору їх здатності пропускати через них електроенергію, звідси і назва. Кремній, хоча сам по собі відносно поганий провідник, торкається кристалічної структури, що робить його придатним для побудови напівпровідників. Оскільки зовнішня оболонка атома кремнію заповнена електронами лише наполовину, він буде міцно зв’язуватися з іншими атомами, коли прагне заповнити свою оболонку.
Щоб зробити кремній більш провідним, йому можна додавати «домішки», комбінуючи його з іншими елементами. Це процес, який називається «легуванням», а кремній, легований домішками, забезпечує більш вільне переміщення електронів. У кремнієвому напівпровіднику є дві частини, кожна легована різним матеріалом. Перший легований фосфором, який має п’ять атомів у своїй оболонці. Коли він зв’язується з кремнієм, він залишає один атом, що залишився незв’язаним. Оскільки цей електрон утримується на місці лише ядром, для його збиття потрібно менше енергії. При цьому утворюється кремній N-типу (негативний).
Кремній також можна легувати бором, який у своїй оболонці має лише три електрони. Це утворює кремній Р-типу (позитивний), який пропонує отвори, які вільні електрони можуть потім заповнити.
Коли енергія потрапляє на кремній, він може збити зайві електрони на стороні N, і вони рухатимуться, щоб заповнити дірки на стороні P. Згодом електрони N-типу та P-типу об'єднуються і утворюють електричне поле. Сонячна батарея стає діодом, що дозволяє електронам рухатися від P до N, але не в інший спосіб.
Сонячне світло потрапляє на кремній, вибиваючи вільні електрони на стороні N, які потім рухаються, щоб заповнити отвори на стороні P. Звичайно, цей процес вимагає енергії, щоб потрапити на клітинку кремнію. Тут надходить сонячне світло. Сонячне світло складається з фотонів, дрібних частинок енергії, які можуть потрапити в сонячну батарею і послабити електрони на північній стороні. Вільний потік електронів від N до P, створюючи електричний струм при їх проходженні.
Після створення електричного поля залишається лише застосувати його до використання. Інвертор живлення часто приєднується до сонячної батареї - або частіше до групи елементів, що називається модулем - і буде перетворювати електроенергію з постійного струму (постійного струму) в змінний струм (змінного струму), роблячи його готовим до транспортування до будинків або бізнесу.
Неефективність та сучасні дослідження
Незважаючи на (не зважаючи на все) безмежну потужність сонця, технологія перетворення його в придатну для використання електроенергію все ще досить неефективна. Не вся енергія сонячного світла поглинається сонячною панеллю. Насправді більша частина втрачена. Взагалі кажучи, найкращі сонячні елементи перетворюють лише 25 відсотків енергії, яку вони отримують, в електрику. Це пояснюється тим, що сонячне світло, як і все світло, складається з спектру з декількох різних довжин хвиль, кожна зі своїм рівнем інтенсивності. Деякі довжини хвиль будуть занадто слабкими, щоб збити електрони. Інші довжини хвиль будуть занадто сильними, щоб кремній використовував їх повну енергію.
Крім того, сонячні панелі вимагають дуже конкретного розміщення. Кут нахилу панелей повинен бути в самий раз, щоб уловлювати максимальну кількість сонячного світла, і, як ви могли очікувати, панелі будуть корисними лише в місцях, де є багато сонячного світла. Небажана погода може перетворити безліч панелей на дуже дорогу і не зовсім цікаву художню інсталяцію.
Продовжуються дослідження більш ефективних сонячних панелей. Тонкоплівкові сонячні елементи, виготовлені з кадмію, тонші, ніж кремній, і краще засвоюють сонячну енергію. В даний час вони також гірше перетворюють цю енергію в електроенергію, однак їх низька вартість та зручний розмір роблять їх привабливим напрямком для подальших досліджень.
Інший головний розвиток - це "чорний кремній", який звучить як MacGuffin із фантастичної історії, але насправді досить нешкідливий, незважаючи на зловісну назву. Чорний кремній - це просто кремній, оброблений чорною поверхнею. Це важливо, оскільки чорні предмети поглинають більше світла. Короткий зміст фізики: видиме світло поділяється на різні довжини хвиль, кожна розглядається як кольорова гама. Ми сприймаємо предмети як такі, що мають певний колір, оскільки вони відображають ту конкретну довжину хвилі, поглинаючи інші. Чорні предмети поглинають усі кольори, не відображаючи жодного, отже, вони здаються чорними.
Чорний кремній може стати майбутнім чистої енергії, а також створить чудову обкладинку альбому Joy Division. LP3 Чорний кремній має великий потенціал для створення більш поглинаючих сонячних елементів, особливо в районах, де сонячне світло рідке або де сонце зазвичай потрапляє під низьким кутом. Найбільшим недоліком на даний момент є те, що процес створення чорного кремнію надає йому більшої площі поверхні, що призводить до збільшення рекомбінації носіїв - випадків, коли звільнений електрон просто рекомбінується з клітиною кремнію, а не рухається, щоб приєднатися до іншого атома і що виробляє електричний струм.
Крім недоліків, дослідження чорного кремнію тривають, і нещодавно вченим у Фінляндії вдалося зменшити кількість рекомбінацій носіїв, збільшивши таким чином перетворення енергії до 22,1 відсотка. Це не настільки добре, як типовий кремній, але тим не менш перспективне вдосконалення.
