Викрасти колісницю Аполлона: як влаштовані сонячні батареї

Електрика нас оточує. Чи то в мережах силових кабелів, що покривають кожну розвинену країну, чи то струми, що протікають через людську кров, щоб змусити серце битися, електрика керує нашим життям. Вона стала рушійною силою великих досягнень минулого століття, і потреба в більшій кількості – і більш ефективних – засобів виробництва електроенергії постійно зростає.

Вироблення величезної потужності, яка живить земну кулю, є непростим завданням, особливо зважаючи на те, що воно вимагає нещадного споживання таких ресурсів, як вугілля і газ. Проте природні ресурси є обмеженими, а процеси їх видобутку і використання часто є руйнівними. З розвитком технологій і збільшенням чисельності населення планети чиста і відновлювана енергія стане святим Граалем. Напрямки досліджень у сфері відновлюваної енергетики включають такі методи, як холодний термоядерний синтез, але поки що це нездійсненні мрії. Проте існує велике і страшне джерело енергії, яке, якщо не безмежне, то, швидше за все, триватиме мільярди років. Джерело, про яке ми говоримо, – це Сонце; серце Сонячної системи і найпоширеніше джерело енергії, доступне нам.

Стародавні культури часто шанували сонце як бога, як за його сліпуче сяйво, так і за здатність давати врожай. Хоча поклоніння Атену і Геліосу, можливо, вимерло, сонце продовжує здійснювати первинний вплив на нашу планету, чи то живлячи зростання цілих екосистем, чи то вбиваючи їх посухою. Тепер, з останніми технологічними досягненнями, Сонце може навіть забезпечити нас необмеженою енергією в майбутньому.

Процес перетворення світла в електрику відомий як “фотовольтаїка”. Слово “фотовольтаїка” походить від грецького слова “фос” (світло) і терміну “вольт”, одиниці вимірювання електрорушійної сили. Фотоелектричні елементи – це пристрої, призначені для уловлювання сонячного світла і 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 з сонячного світла.

Напівпровідники: допінг без скандалу

Сонячний елемент виготовляється з напівпровідникового матеріалу, наприклад, кремнію. Напівпровідники знаходяться між провідниками та ізоляторами з точки зору їх здатності пропускати електричний струм, звідси і назва. Кремній, хоча сам по собі є відносно поганим провідником, має кристалічну структуру, яка робить його добре придатним для створення напівпровідників. Оскільки зовнішня оболонка атома кремнію лише наполовину заповнена електронами, він буде міцно зв’язуватися з іншими атомами, намагаючись заповнити свою оболонку.

Щоб зробити кремній більш провідним, йому можна надати “домішки”, поєднуючи його з іншими елементами. Цей процес називається “d

Кремній також може бути легований бором, який має лише три електрони в своїй оболонці. Це створює кремній P-типу (позитивний), який пропонує дірки, які потім можуть заповнити вільні електрони.

Коли енергія потрапляє на кремній, вона може вибити зайві електрони в N-стороні, і вони будуть рухатися, щоб заповнити дірки в P-стороні. Після цього електрони з N-типу і P-типу збираються разом і утворюють електричне поле. Сонячний елемент стає діодом, дозволяючи електронам рухатися від P до N, але не в зворотному напрямку.

Звичайно, для цього процесу потрібна енергія, щоб потрапити на кремнієвий елемент. Ось тут і з’являється сонячне світло. Сонячне світло складається з фотонів, маленьких частинок енергії, які можуть потрапити в сонячний елемент і послабити електрони на стороні N. Вільні електрони рухаються від N до P, створюючи електричний струм, коли вони проходять.

Після того, як електричне поле створено, залишається тільки використовувати його. До сонячної батареї – або частіше до групи елементів, які називаються модулем – часто приєднується інвертор живлення, який перетворює електроенергію з постійного струму (DC) в змінний струм (AC), роблячи її готовою до транспортування в будинки або на підприємства.

Неефективність і поточні дослідження

Незважаючи на (за всіма ознаками) безмежну енергію сонця, технологія перетворення її в корисну електроенергію все ще залишається досить неефективною. Не вся енергія сонячного світла поглинається сонячною панеллю. Фактично, більша її частина втрачається. Взагалі кажучи, найкращі сонячні елементи перетворять лише 25 відсотків енергії, яку вони отримують, в електрику. Це відбувається тому, що сонячне світло, як і будь-яке інше світло, складається зі спектру декількох різних довжин хвиль, кожна з яких має свій власний рівень інтенсивності. Деякі довжини хвиль будуть занадто слабкими, щоб вибити електрони. Інші довжини хвиль будуть занадто сильними для кремнію, щоб використовувати їх повну енергію.

Крім того, сонячні панелі вимагають дуже специфічного розміщення. Кут нахилу панелей повинен бути правильним, щоб зловити максимальну кількість сонячного світла, і, як можна було б очікувати, панелі будуть корисними тільки в районах, які отримують багато сонячного світла. Несприятливі погодні умови можуть перетворити масив панелей на дуже дорогу і не зовсім цікаву арт-інсталяцію.

Дослідження більш ефективних сонячних панелей тривають. Тонкоплівкові сонячні елементи, виготовлені з кадмію, тонші за кремнієві і краще поглинають сонячну енергію. Наразі вони також гірше перетворюють цю енергію в електрику, проте їхня низька вартість і зручні розміри роблять їх привабливим напрямком для подальших досліджень.

Іншою важливою розробкою є “чорний кремній”, який звучить як Макгаффін з фантастичної історії, але насправді є цілком нешкідливим, незважаючи на зловісну назву. Чорний кремній – це просто кремній, який був оброблений, щоб мати чорну поверхню. Це важливо, оскільки чорні об’єкти поглинають більше світла. Короткий екскурс у фізику: видиме світло поділяється на різні довжини хвиль, кожна з яких сприймається як діапазон кольорів. Ми сприймаємо предмети як такі, що мають певний

Чорний кремній має великий потенціал для створення більш поглинаючих сонячних елементів, особливо в районах, де сонячного світла мало або де сонце зазвичай падає під низьким кутом. Великим недоліком на даний момент є те, що процес створення чорного кремнію дає йому більшу площу поверхні, що призводить до збільшення рекомбінації носіїв, явища, коли звільнений електрон просто рекомбінує з кремнієвим елементом, а не подорожує, щоб приєднатися до іншого атома і виробляти електричний струм.

Незважаючи на недоліки, дослідження чорного кремнію тривають, і нещодавно вченим у Фінляндії вдалося зменшити кількість випадків рекомбінації носіїв заряду, що дозволило підвищити коефіцієнт перетворення енергії до 22,1 відсотка. Це не так добре, як у звичайного кремнію, але, тим не менш, багатообіцяюче поліпшення.

Рекомендації редакції

• Solar Orbiter надіслав перші вимірювання з космосу через кілька днів після запуску
• Революційна місія Solar Orbiter зробить перші знімки полюсів Сонця
• Нова “реверсивна сонячна панель” генерує енергію вночі, випромінюючи тепло в космос
• Більше ніяких панелей? Штучний інтелект допомагає створювати розпилювані сонячні елементи, на які можна наносити фарбу
• Стартап чистої енергії за підтримки Білла Гейтса сподівається замінити викопне паливо

Source: digitaltrends.com