В современном мире, где энергетические затраты растут с каждым годом, к электричеству начинают присматриваются все более и более пристальнее. Неумолимым достоинством использования эл. энергии являемся ее экологичность, что особенно актуально становится в последние годы, но есть несколько отрицательных моментов, которые не позволяют использовать ее в еще больших масштабах. Один из таких моментов - невозможность аккумулировать эл. энергию в малых объемах пространства, но в больших количествах. Об этой проблеме мы постараемся рассказать в следующих наших публикациях, а пока остановимся на другой не менее важной проблеме, проблеме преобразование солнечной энергии в электрическую.

Как известно, непосредственного использования падающего солнечного излучения на Землю без преобразования его в другие виды энергии еще не придумано, а все известные преобразователи обладают очень небольшим коэффициентом полезного действия. Наиболее привлекательным и доступным использованием солнечного излучения является ее использование через преобразование именно в эл. энергию, так как электрические приборы занимают огромную часть эксплуатируемого нами оборудования. Возможно, эта часть была бы еще больше, но пока не решена должным образом первая проблема озвученная мной выше.

Мощность солнечного излучения такова, что могла бы обеспечить энергией все человечество в полном объеме. По оценкам специалистов количество этой энергии хватило бы даже не на одну цивилизацию.

Собственно, становится понятно, почему в разных уголках мира не прекращаются исследования и разработки технологий изготовления солнечных батарей с большим КПД, и в то же время более дешевых для массового производства и потребления.

Вообще исследования в этой области начались с открытия фотоэлектрического эффекта. В 1887 году Г.Герц обнаружил это эффект во время наблюдения усиления процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением, но первые фундаментальные исследования фотоэлектрического эффекта выполнены русским ученым А.Г.Столетовым. Столетов установил три закономерности: 1) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

В 1898 году Дж. Томсон измерил удельный заряд испускаемых под действием света частиц. Этими частицами оказались электроны.

Но на самом деле основным толчком к развитию исследований фотоэффекта послужило объяснение природы света с точки зрения квантовой теории Эйнштейна. В 1905 году Эйнштейн показал, что явление фотоэффекта может быть объяснено на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Эта теория позднее была подтверждена в многочисленных опытах известных ученых: в 1916 опытами Милликена, в 1922 опытами А.Ф. Иоффе и Н.И.Добронравова, в 1926 опытами П.И.Лукирского и С.С.Прилежаева.

Кстати, как Вы думаете, за что Эйнштейн получил Нобелевскую премию? Если Вы скажете, что за теорию относительности, то сильно ошибетесь. На самом деле Эйнштейн получил Нобелевскую премию как раз за объяснение фотоэлектрического эффекта. Да, да. Так почему то сложилось, что имя Эйнштейна всегда ассоциируется с теорией относительности, а премию он получил за фотоэлектрический эффект. Ну, это к слову. Продолжим дальше.

Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Рассмотрим чуть подробнее каждый из них.

Внешним фотоэлектрическим эффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэффект - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрации носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости или к возникновению э.д.с.

Вентильный фотоэффект - это возникновение э.д.с. при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствия внешнего электрического поля).

Нас, в данном случае, больше интересует вентильный фотоэффект, так как именно он открывает путь для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Но все было бы просто замечательно, если бы не было красной границы фотоэффекта. О чем идет речь.

Каждый материал имеет свою химическую природу и работа выхода электрона в каждом материале разная. Т.е. для каждого материала фотоэлектрический эффект может наступать только при определенной частоте падающего света. Если частота не достаточна для данного материала, то фотоэффекта не будет, какой бы большой интенсивности не был световой поток.

Насколько известно, солнечный свет состоит из большого количества световых пучков различной частоты, в этом как раз и состоит проблема, что материала, который смог бы одинаково преобразовывать свет различной частоты в электрическую энергию не существует. Получается, что солнечная батарея преобразовывает не весь спектр солнечного излучения, а только его часть. А что же делать?

Сейчас ученые пробуют найти оптимальное решение различными путями.

Например, один из способов обхода проблемы предлагается следующий. Изготовить слоеный пирог из различных материалов, каждый слой из которого реагирует на свою частоту, но в то же время пропускает все остальные частоты без значимого ослабления. Эффективность такого подхода пока дает КПД не более 30%.

Другой из способов - получение материала, который может работать на хотя бы двух частотах или точнее с более широким диапазоном солнечного спектра. В этом направлении подвижки уже есть. В 1999 году был открыт "феномен мультизоны" и был получен материал с расколотой - раздвоенной - полосой поглощения. Ученые буквально вымудрели способ получения материала, который воспринимает частоту фотонов с энергией 0,7; 1,8 и 2,6 эВ. Это направление считается довольно перспективныи поскольку расчетный показатель КПД таких батарей около 57%.

Есть еще интересное направление, где поток солнечного света сначала расщепляется на потоки различных энергетических уровней и направляется на «свои» ячейки. Такое направление тоже может считаться перспективным, ибо КПД таких батарей может быть вполне на уровне 50%.

Наверняка есть еще оригинальные идеи. Я перечислил наиболее яркие, где уже в ближайшем будущем можно ожидать конечного результата, т.е. появление серийного продукта. Проблемы это не решит полностью, но выведет производство и особенно использование солнечных батарей на новый уровень.

Кто то может усомниться в эффективности элементов с такими низкими КПД, но позволю себе напомнить, что долгие годы паровозы были очень востребованы в своей сфере как достаточно дешевый вид транспорта. А помните какой КПД у паровой машины - 14%. Да, кстати, современные автомобили могут ли похвастаться 50% КПД? Увы.

Собственно, полемики здесь быть не может. Жизнь не стоит на месте. Ученый мир продолжает трудиться и как знать, через какое-то время эти жалкие 50% станут историей в развитии элементов солнечных батарей.