1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer>

Успенский Кафедральный Собор

Успенский Кафедральный Собор

Иоанно-Предтеченский Монастырь

Иоанно-Предтеченский Монастырь

Троицкий собор

Троицкий собор

От солнечного света до электричества

  1. Как работают фотоэлектрические элементы
  2. Почему именно эти элементы?
  3. В поисках эффективности
  4. Это надежно, бесплатно и чисто, но ...
  5. Солнечное будущее Австралии

Земля купается в огромных количествах энергии от Солнца - 885 миллионов тераватт-часов каждый год. Это очень много - примерно в 6200 раз больше коммерческой первичной энергии, использованной в мире в 2008 году. Люди всегда использовали часть солнечной энергии напрямую - например, для сушки одежды и продуктов питания. Они также использовали его косвенно - посредством фотосинтеза, чтобы стимулировать рост растений, лежащий в основе сельского хозяйства, которое снабжает нас едой и кислородом, которым мы дышим.

И есть еще один способ использования этого обильного источника энергии: фотоэлектрические (фото = свет, напряжение = электричество, образовавшееся в результате химической реакции) солнечные элементы, которые позволяют нам преобразовывать солнечный свет непосредственно в электричество. С момента демонстрации первого кремниевого фотоэлектрического элемента в 1954 году Дэрилом Чапином, Кельвином Фуллером и Джеральдом Пирсоном в Bell Laboratories, Нью-Джерси, мы совершенствуем технологию, которая позволяет нам использовать надежную, свободную и чистую энергию Солнца.

С момента демонстрации первого кремниевого фотоэлектрического элемента в 1954 году Дэрилом Чапином, Кельвином Фуллером и Джеральдом Пирсоном в Bell Laboratories, Нью-Джерси, мы совершенствуем технологию, которая позволяет нам использовать надежную, свободную и чистую энергию Солнца

Первый практичный кремниевый фотоэлектрический элемент был разработан Дэрилом Чапином, Кэлвином Фуллером и Джеральдом Пирсоном в Bell Laboratories в 1954 году.

Этот первый солнечный элемент имел эффективность около 5 процентов. Многолетняя усердная работа привела к тому, что в целом эта цифра составила около 20 процентов. Солнечные панели появляются на крышах наших пригородов, так как солнечные фотоэлектрические системы (PV) становятся все более жизнеспособным вариантом для производства электроэнергии внутри страны.

Фотоэлектрические солнечные элементы, такие как те, что в этих панелях на крыше, преобразуют свет непосредственно в электричество. Источник изображения: Marufish / Flickr ,

Но как именно это работает? Как сделать солнечный свет силовые машины Или для производства электричества, которое нам нужно для наших компьютеров, телевизоров и тостеров?

Как работают фотоэлектрические элементы

Уже более 150 лет известно, что свет может влиять на электрические свойства некоторых материалов. Это называется фотоэлектрическим эффектом. В 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию за свою работу, объясняющую это. Фотоэлектрические элементы основаны на связанном явлении, называемом фотоэлектрическим эффектом, и они преобразуют свет непосредственно в электричество. Давайте посмотрим, как.

Большинство фотоэлементов сделано из кремния, элемент, который лежит в основе всей современной электроники. Кремний особенный из-за расположения его электронов - он имеет четыре из восьми возможных электронов в своей внешней оболочке. Это означает, что он создает совершенные ковалентные связи с четырьмя другими атомами кремния, образуя решетчатую структуру.

Внешние электроны в атомах кремния образуют ковалентные связи друг с другом, создавая решетчатую структуру.

Этот механизм связи означает, что вокруг плавает очень мало свободных электронов, и это то, что нам нужно для создания электричества. В конце концов, это и есть электричество - поток электронов. Из-за расположения связей в его кристаллической структуре кремний в чистом виде не имеет очень много свободных электронов, поэтому мы его «допиливаем».

Легирование добавляет примесь к кремнию, чтобы изменить способ, которым его атомы связаны вместе и делят их электроны. Добавление небольшого количества фосфора, который имеет пять электронов в своей внешней оболочке, по сравнению с четырьмя кремниевыми, означает, что дополнительный (пятый) электрон не имеет ничего, с чем можно связываться, поэтому он может свободно перемещаться и создавать электрический ток. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому, когда кремний легирован таким образом, он называется отрицательным материалом: n-типа.

Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому, когда кремний легирован таким образом, он называется отрицательным материалом: n-типа

Когда кремний легирован элементами, которые имеют дополнительные электроны в своей внешней оболочке, он производит материал n-типа.

Мы также можем допировать с бором, который имеет только три электрона в своей внешней оболочке. Это оставляет одну из связей только с одним электроном, создавая «дыру» в структуре связи. Электроны в легированном бором кремнии могут прыгать вокруг, чтобы заполнить дыру. Альтернативно, сами дыры можно рассматривать как движущиеся (в направлении, противоположном электронам), когда электроны прыгают от одной связи к другой. Это движение также представляет собой электрический ток. Теперь у нас есть материал с общим дефицитом электронов, что делает материал положительным (р-типа).

Когда кремний легирован элементами, которые имеют меньше электронов в своей внешней оболочке, он производит материал р-типа.

Дополнительные электроны и дырки могут плавать вокруг решетки; они «разделяются» всеми атомами в структуре. Это дает каждому легированному материалу общее небольшое предпочтение отдавать или получать электроны. Это известно как электроотрицательность - мера того, насколько сильно атом или материал держатся за свои электроны.

Благодаря легированию и возникающим в результате изменениям электроотрицательности кремний превращается в проводник электричества (хотя и не особенно удачный).

Однако, когда мы приводим материалы р-типа и n-типа в контакт друг с другом, происходит нечто интересное (и полезное). В точке, где встречаются два типа - соединение - электроны из слоя n-типа диффундируют в слой p-типа, оставляя позади область с небольшим положительным зарядом в слое n-типа. Обратное происходит в слое p-типа - дыры диффундируют в слой n-типа, оставляя небольшой отрицательный заряд в области слоя p-типа. Это создает электрическое поле, которое будет направлять поток электрического тока.

Это создает электрическое поле, которое будет направлять поток электрического тока

Отверстия диффундируют в слой n-типа, а электроны диффундируют в слой p-типа. Это создает электрическое поле на стыке двух слоев.

Теперь рассмотрим фотоэлектрическую ячейку, изготовленную из тонкой пластины кремния p-типа, уложенного поверх слоя кремния n-типа. Когда солнечный свет попадает в нашу клетку, энергия его фотонов возбуждает электроны в состояния, называемые «электронно-дырочными парами». Когда они образуются в непосредственной близости от электрического поля на стыке слоев p- и n-типа, электрическое поле разъединяет пару (они образуют «разделенное зарядом» состояние). Управляемые силой электрического поля электроны перемещаются в сторону n-типа, а отверстия - в сторону p-типа.

Энергия фотонов также может создавать электронно-дырочные пары в других частях легированного кремния. Иногда эти пары электрон-дырка просто снова соединяются (рекомбинируют) с дополнительной энергией, излучаемой в виде тепла. Но если они окажутся вблизи электрического поля на стыке слоев p- и n-типа, электрическое поле будет отправлять электроны в слой n-типа, а дырки - в слой p-типа.

Если вы создадите внешнее соединение (используя электроды и провод) между двумя слоями, электрон будет затем перемещаться обратно через провод к слою p-типа в качестве электрического тока, который выполняет полезную работу. Все это действует как электрическая батарея, постоянно заряжаемая солнечным светом.

интерактивный

Почему именно эти элементы?

Из всех элементов периодической таблицы зачем использовать кремний в качестве основного компонента солнечного элемента и почему дополняют фосфором и бором?

Кремний является наиболее распространенным материалом для фотогальванического элемента, поскольку максимальная длина волны поглощаемой им энергии составляет около 800 нанометров, что близко к пику излучения, испускаемого Солнцем. Солнце излучает спектр излучения, колеблющийся от 300 до 2000 нанометров, но в большинстве случаев он находится в диапазоне от 420 до 700 нанометров.

Причина, по которой фосфор и бор чаще всего используются в качестве легирующих агентов, немного сложнее. Чтобы создать поток электронов в солнечном элементе, электроны должны быть возбуждены из своего стабильного «основного» состояния до более высокого энергетического уровня, необходимого им для перемещения из p-типа в сторону n-типа. Это количество энергии эквивалентно разнице в электроотрицательности между двумя слоями (это называется запрещенной зоной). Меньше, и этого будет недостаточно, чтобы «выбить» свободный электрон, и любая дополнительная энергия будет потрачена впустую.

Оказывается, что разница в электроотрицательности между кремнием, легированным фосфором и бором, в значительной степени равна энергии, обеспечиваемой одним фотоном солнечного света, что делает их идеальными легирующими агентами для кремниевого солнечного элемента.

В поисках эффективности

Ни один метод преобразования энергии не является эффективным на 100 процентов. Растения преобразуют солнечный свет в энергию с эффективностью около 5–6 процентов, а электростанция, работающая на ископаемом топливе, эффективна только на 30–50 процентов - вся дополнительная энергия, содержащаяся в сжигаемом топливе, выделяется в виде тепла и эффективно потрачены впустую.

Есть несколько проблем, которые означают, что солнечные элементы не полностью эффективны в преобразовании солнечного света в электрическую энергию. Одним из них является то, что энергия, обеспечиваемая фотонами, может быть недостаточной, чтобы позволить электронам вырваться из их электронно-дырочных пар. В других случаях фотоны могут обеспечивать больше энергии, чем требуется, чтобы электрон вырвался на свободу, и избыток теряется. Кроме того, когда электроны освобождаются от своих пар, они часто просто рекомбинируют с другой дыркой, не переходя в слой n-типа.

Максимальная эффективность кремниевого фотоэлектрического элемента при преобразовании солнечного света в электрическую энергию составляет около 20 процентов, и для производства полезного количества энергии необходимы большие площади солнечных элементов. По этой причине ведется поиск гораздо более дешевых ячеек без значительного снижения эффективности.

В 2014 году команда из Университета Нового Южного Уэльса установить мировой рекорд с эффективностью 40% с использованием коммерчески доступных (традиционный монокристаллический кремний) солнечных элементов. Они разработали метод фокусировки солнечного света и использовали специальный фильтр для захвата солнечного света, который обычно теряется.

Университет Нового Южного Уэльса также использовал несколько других перспективных направлений. Вместо нарезки кусочков из специально выращенных монокристаллов кремния, одна возможность заключается в выращивании тонких пленок кремния на гораздо более дешевых поликристаллических кремниевых пластинах или на стеклянных пластинах. Этот процесс использует на 99% меньше кремния, чем традиционные методы, и в настоящее время коммерчески используется в Европе.

Кроме того, Технологический университет Суинберна разрабатывает тонкопленочный аморфный кремний, тип кремния, в котором атомы не образуют правильную кристаллическую решетку. С аморфным кремнием можно использовать более тонкие слои кремния, что снова делает процесс намного более дешевым, хотя и менее эффективным.

Значительное внимание уделяется новым тонкопленочным модулям солнечных элементов, которые потенциально легче, гибче и дешевле, чем традиционные солнечные элементы, изготовленные на стекле. Теллурид кадмия и CIGS (медь-индий-галлий (ди) селенид) могут вскоре бросить вызов традиционным кремниевым модулям как по стоимости, так и по эффективности.

Новые технологии включают органические солнечные элементы. Викторианский консорциум органических солнечных батарей (CSIRO, Университет Мельбурна и Университета Монаш) печать солнечных батарей на гибких полимерах Скорее похож на подход к австралийской пластиковой банкноте. Соответствующая работа ведется в университетах Ньюкасла и Квинсленда.

Солнечные элементы, изготовленные из органически-неорганической комбинации тригалогенида метиламмония-свинца, с немного более управляемым названием перовскиты, являются еще одной быстрорастущей технологией солнечных элементов. CSIRO недавно продемонстрировала потенциал рулонной печати перовскитов, метод, который позволяет быстро изготавливать солнечные элементы. Австралийская компания Dyesol объявила о расширении производства перовскитов в совместном предприятии в Турции, что стало первым шагом к тому, чтобы эти гибкие печатные солнечные элементы стали коммерчески доступными.

Австралийская компания Dyesol объявила о расширении производства перовскитов в совместном предприятии в Турции, что стало первым шагом к тому, чтобы эти гибкие печатные солнечные элементы стали коммерчески доступными

Кристалл перовскита, полученный в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Источник изображения: Лос-Аламосская национальная лаборатория / Flickr ,

Это надежно, бесплатно и чисто, но ...

Солнечная энергия, вероятно, продолжит существовать так далеко в будущем, что мы можем думать о ней как о бесконечной. По сути, это возобновляемое, в отличие от ископаемого топлива, которое истощается, когда мы его используем.

Кроме того, использование солнечной энергии не приводит к загрязнению воздуха или повреждению поверхности Земли. Не требует сложных и дорогих процедур экстракции. Создание самих солнечных элементов требует ресурсов - для преобразования песка в кремний по-прежнему требуется значительная энергия - но это окупается в течение трех или четырех лет работы солнечного элемента.

Но главная проблема в том, что делать, когда солнце не светит. Хотя мы потребляем значительное количество электроэнергии в течение дня (особенно для кондиционирования воздуха в жаркое лето), когда Солнце легко доступно, нам также необходимо хранение, чтобы держать нас в пасмурные дни и ночью. В бытовом масштабе, лидер в области батарей в дополнение к установке солнечных батарей на крыше в настоящее время является Tesla Powerwall , В продуктах, выпускаемых Panasonic а также LG Chem ,

Солнечное будущее Австралии

Австралия получает наибольшее солнечное излучение на квадратный метр любого континента в мире (хотя область Красного моря, включая Египет и Саудовскую Аравию, имеет самый высокий потенциал солнечной энергии). Хотя сейчас их больше один миллион солнечных систем на крыше Установлено вокруг Австралии, согласно данным Международного энергетического агентства, фотоэлектрические солнечные 0,6% энергии Австралии в 2012.

Даже районы на юге Австралии обладают чрезвычайно высоким потенциалом использования солнечных ресурсов. Штат Виктория обладает более высоким солнечным потенциалом, чем Германия, которая в настоящее время обладает самой высокой установленной солнечной мощностью среди всех стран мира. Отчет Климатической комиссии о солнечная энергия в Австралии (PDF) заявляет, что количество солнечной радиации, которое Австралия получает в год, примерно в 10 000 раз превышает национальное потребление энергии, и что для обеспечения страны энергетическими потребностями будет достаточно всего лишь 20 000 квадратных километров.

У нас явно есть богатый ресурс в наших руках. Нам просто нужно использовать это.

Из всех элементов периодической таблицы зачем использовать кремний в качестве основного компонента солнечного элемента и почему дополняют фосфором и бором?
 

Новости

    Держатель Во

    Вот купил для своей жены этот штатив. Честно сказать радости не было предела. Как выяснилось, она давно положила глаз на эту модель - отличный держатель

    во.

    Увлекательные походы

    Для кого-то отдых заключается в просмотре любимых фильмов, кто-то любит шумные компании клубов и баров, ну а для кого-то лучшим отдыхом является тесный контакт с манящей красотой природы. В детстве

    Храм христа спасителя
    Проект Храма Христа Спасителя предложенный архитектором А.Л. Витбергом Между разгромом наполеоновской армии и началом строительства Храма в центре Москвы прошло довольно долгое время: почти 27 лет. Не

    Собор василия блаженного
    Широко известный памятник русской архитектуры. До XVII в. обычно назывался Троицким, так как первоначальный деревянный храм был посвящён Святой Троице; был также известен как «иерусалимский», что связано

    Храм василия блаженного
    Храм Василия Блаженного был построен по приказу царя Ивана Грозного в память событий Казанского похода. Собор в народе именовался Покрова на Рву: он был построен рядом с глубоким рвом, проходившим вдоль

    Собор парижской богоматери
    Собор Парижской Богоматери — удивительный католический храм, который строился почти два столетия. Его сооружение длилось в период с 1163 по 1345 год. Нотр-Дам-де-Пари давно признан одним из лучших

    Смотрите
    Однако какими бы разными ни были мотивы, команды участников борются за приз и надеются выиграть, найдя в сжатые сроки лучшее решение! Мы в Skillfactory проанализировали несколько источников и реальные

    Горнолыжные туры из ростова в Архыз
    Отправившись из Ростова-на-Дону в тур Приэльбрусье, вы насладитесь пешими прогулками и автобусными переездами, покатаетесь на канатных дорогах и увидите непередаваемые красоты, открывающиеся со смотровых

    Торты на заказ в недорого
    С давних времен так повелось, что среди разного блюд и кулинарных изделий, торт занимает особое место. Это непременный атрибут на праздники, который с успехом украшает стол и вносит в атмосферу мероприятия

    Хороший детский психолог
    Хороший специалист может «разрулить» любую критическую ситуацию Никогда не слышала от знакомых, чьи дети учатся в школе, чтобы они в трудных ситуациях обращались за советом и подсказкой к школьному психологу.

Смс-сервис

Номера для отправки СМС:

+7 (917) 181-33-49

+7 (964) 889-67-40

Что это такое?

Форум

Posted by Darkanzali - 21 Августа 2013 02:01
Posted by Darkanzali - 20 Августа 2013 20:52

Астраханская и Енотаевская епархия Русской православной церкви

Россия, Астрахань, Покровская площадь,6

+7 (8512) 25-09-80

http://ast-eparhia.ru/components/content/doc/