Интереcно о науке

Практически каждый из нас видел калькулятор с солнечной батареей – это устройство, которое не требует обычных батареек и даже не имеет кнопки выключения. Пока на поверхность солнечной батареи будет падать свет калькулятор будет работать. Также все чаще можно встретить дома с солнечными панелями, а также уличные фонари, таксофоны и другие объекты оснащенные солнечными батареями. Хотя такие объекты можно встретить не так часто, как калькулятор питаемый энергией света, их распространение растет с каждым годом.

На самом деле солнечная энергетика не так давно использовалась лишь в космической отрасли. Впервые солнечные батареи были использованы в 1958 году для питания космического спутника земли. С тех пор в солнечной энергетике был сделан огромный скачок, давший путь для перехода этой технологии из разряда экзотики в повседневный и привычный источник энергии.

Главное преимущество в использовании солнечной энергии заключается в том, что это практически неисчерпаемый источник энергии. Ежедневно Солнце отдает Земле около 1кВт энергии на каждый квадратный метр. Даже небольшой доли этой энергии человечеству хватило бы с большим запасом на многие тысячелетия вперед.

Солнечные батареи, которые встраиваются в калькуляторы еще называют фотоэлектрическими элементами (ФЭ). Их главная задача заключается в прямом преобразовании световой энергии в электрическую. ФЭ объединяются в солнечные панели, которые в свою очередь могут быть объединены в еще большие массивы. Это дает возможность производить электроэнергию в промышленных масштабах.

Фотоэлектрические элементы сделаны из специального материала, называемого полупроводником. В этих целях наиболее часто используется кремний. Когда свет достигает ФЭ часть его поглощается полупроводниковым материалом, т.е. энергия световых частиц переносится к солнечной батарее. ФЭ обладают электрическим полем, которое заставляет электроны, полученные от светового потока течь в заданном направлении. Присоединив сверху и снизу металлические контакты мы можем снять имеющееся напряжение на ФЭ и передать ток во внешнюю цепь и использовать для каких либо нужд.

Рассмотрим причины появления электроэнергии в кремнии под действием света. Для этого нам придется немного углубиться в химические особенности этого элемента. Кремний в кристаллической форме имеет 14 электронов, вращающихся вокруг его ядра по 3 внешним оболочкам. Две внутренние оболочки имеют 2 и 8 электронов, соответственно, и они заполнены полностью. Внешняя же оболочка заполнена лишь наполовину, что заставляет кремний присоединить к себе еще 4 других атома кремния. Так образуются кристаллы кремния.

Однако чистый кремний не позволяет использовать его в фотоэлектрических элементах, потому как для того, чтобы он мог проводить электроэнергию у него должны быть свободные связи, т.е. незаполненные места на внешней оболочке. Поэтому чистый кремний специально загрязняют, например, фосфором. Фосфор имеет 5 свободных связей. После соединения с атомами фосфора у каждого атома кремния остаются по одному свободному электрону на внешней оболочке. Таким образом, когда на это соединение будет действовать внешняя энергия, к примеру, световая свободные электроны будут легко отрываться от своих атомов.

Для того чтобы свободные электроны направить в упорядоченное движение необходим еще один тип соединения силикона, в котором наоборот не хватает одного электрона. Для этих целей обычно подходит примесь бора. Таким образом, освободившиеся после воздействия света электроны будут упорядоченно перетекать к свободным местам, что приводит к появлению электрического тока. Собрав несколько фотоэлектрических панелей в единую цепь, мы можем получить электрическую энергию с различной силой тока и напряжением.

Одна из важнейших характеристик ФЭ – их коэффициент полезного действия (КПД), который определяет эффективность солнечной батареи. Первые экземпляры обладали КПД не более нескольких процентов. В начале ХXI КПД солнечных батарей уже достигает 16-20%. Наибольший полученный КПД к текущему моменту – 40%. Однако это не предел. За счет разработки новых соединений и конструкций фотоэлектрических элементов их КПД будет расти и дальше.