Как работают солнечные батареи...

Когда-то фотоэлементы использовались почти исключительно в космосе, например, в качестве основного источника энергии спутников. С тех пор солнечные батареи все больше входят в нашу жизнь: ими покрывают крыши домов и машин, используют в наручных часах и даже в темных очках.

Но как же функционируют солнечные батареи? Каким образом удается преобразовывать энергию солнечных лучей в электричество?

Основные принципы

Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, запакованных в общую рамку. Каждая из них сделана из полупроводникового материала, например, кремния, который чаще всего используется в солнечных батареях.

Когда лучи падают на полупроводник, тот нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает электроны внутри полупроводника. К фотоэлементу прилагается электрическое поле, которое направляет свободные электроны, заставляя их двигаться в определенном направлении. Этот поток электронов и образует электрический ток.

Если приложить металлические контакты к верху и к низу фотоэлемента, можно направить полученный ток по проводам и использовать его для работы различных устройств. Сила тока вместе с напряжением ячейки определяют мощность электроэнергии, производимой фотоэлементом.

Панель солнечной батареи / ©depositphotos.com

Кремниевые полупроводники

Рассмотрим процесс высвобождения электронов на примере кремния. Атом кремния имеет 14 электронов в трех оболочках. Первые две оболочки полностью заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Третья же оболочка наполовину пуста – в ней всего 4 электрона.

Благодаря этому кремний имеет кристаллическую форму; пытаясь заполнить пустоты в третьей оболочке, атомы кремния пытаются «делиться» электронами с соседями. Однако кристалл кремния в чистом виде – плохой проводник, поскольку практически все его электроны крепко сидят в кристаллической решетке.

Поэтому в солнечных батареях используют не чистый кремний, а кристаллы с небольшими примесями, т. е. в кремний вводятся атомы других веществ. На миллион атомов кремния приходится всего один атом, например, атом фосфора.

У фосфора пять электронов во внешней оболочке. Четыре из них образуют кристаллические связи с близлежащими атомами кремния, однако пятый электрон фактически остается «висеть» в пространстве, без всяких связей с соседними атомами.

Когда на кремний попадают солнечные лучи, его электроны получают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно, чтобы оторвать их от соответствующих атомов. В результате на их месте остаются «дырки». Освободившиеся же электроны блуждают по кристаллической решетке как носители электрического тока. Встретив очередную «дырку», они заполняют ее.

Однако в чистом кремнии таких свободных электронов слишком мало из-за крепких связей атомов в кристаллической решетке. Совсем другое дело – кремний с примесью фосфора. Для высвобождения несвязанных электронов в атомах фосфора требуется приложить значительно меньшее количество энергии.

Большая часть таких электронов становится свободными носителями, которые можно эффективно направлять и использовать для получения электричества. Процесс добавления примесей для улучшения химических и физических свойств вещества называется легированием.

Кремний, легированный атомами фосфора, становится электронным полупроводником n-типа (от слова «negative», из-за отрицательного заряда электронов).

Кремний также легируют бором, у которого всего три электрона во внешней оболочке. В результате получается полупроводник p-типа (от «positive»), в котором возникают свободные положительно заряженные «дырки».

Устройство солнечной батареи

Что же произойдет, если соединить полупроводник n-типа с полупроводником p-типа? В первом из них образовалось множество свободных электронов, а во втором – много дырок. Электроны стремятся как можно быстрее заполнить дырки, но если это произойдет, оба полупроводника станут электрически нейтральными.

Вместо этого при проникновении свободных электронов в полупроводник p-типа, область на стыке обоих веществ заряжается, образуя барьер, перейти который не так просто. На границе p-n перехода возникает электрическое поле.

Энергии каждого фотона солнечного света хватает обычно на высвобождение одного электрона, а значит и на образование одной лишней дырки. Если это происходит вблизи p-n перехода, электрическое поле посылает свободный электрон на n-сторону, а дырку – на p-сторону.

Таким образом, равновесие нарушается еще больше, и если приложить к системе внешнее электрическое поле, свободные электроны потекут на p-сторону, чтобы заполнить дырки, создавая электрический ток.

К сожалению, кремний довольно хорошо отражает свет, а значит, значительная часть фотонов пропадает втуне. Чтобы уменьшить потери, фотоэлементы покрывают антибликовым покрытием. Наконец, чтобы защитить солнечную батарею от дождя и ветра, ее также принято покрывать стеклом.

Самое большое в мире судно на солнечных батареях PlanetSolar / ©PlanetSolar/ Philip Plisson

Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей не слишком высок. Большинство из них эффективно перерабатывают от 12 до 18 процентов попадающего на них солнечного света. Лучшие образцы перешли 40-процентный барьер КПД.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– 5 простых способов продлить себе жизнь;

– Пищевые добавки: хорошие, плохие, непреднамеренные;

– Первый человек в космосе: «обыкновенный»… на самом деле, нет.

Неуглеродные формы жизни и альтернативная биохимия включает жизнь на основе кремния и кислорода, азота и фосфора, азота и водорода.

Кремний + кислород

Главным претендентом на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии считается кремний. Он расположен в той же группе периодической системы, что и углерод, поэтому свойства их похожи. Но атомы кремния имеют большую массу и больший радиус, они сложнее образуют ковалентную связь, и это может помешать образованию биополимеров (класс полимеров, который встречается в природе в естественном виде и входит в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, лигнин – NS). Кроме того, соединения кремния не столь разнообразны, как соединения углерода.

В то же время, например, соединения кремния и водорода – силаны – являются более жаропрочными, чем углеродно-водородные соединения. Поэтому ученые полагают, что кремниевая жизнь может существовать на планетах, средняя температура которых значительно превышает земную. В этом случае природным растворителем должна быть не животворящая для землян вода, а соединения с более высокой температурой кипения и плавления.

В декабре 2010 года исследователь из NASA Astrobiology Research Фелиса Вольфе-Симон сообщила об открытии бактерии GFAJ-1 из рода Halomonadaceae, способной при определенных условиях заменять фосфор мышьяком.

Соединения кремния, как считается, также должны быть более устойчивыми к серной кислоте. А вот по отношению к другим средам кремниевые соединения считаются менее устойчивыми по сравнению с углеродными.

Азот + фосфор

Подобно углероду, фосфор может составлять цепочки из атомов, которые, в принципе, могли бы образовывать сложные макромолекулы, если бы он не был таким активным. Впрочем, в комплексе с азотом возможен вариант образования более сложных ковалентных связей, что делает возможным и возникновение большого разнообразия молекул, включая кольцевые структуры.

В атмосфере нашей планеты около 78% азота, но в силу инертности двухатомного азота энергетическая «стоимость» образования трехвалентной связи слишком высока. В то же время некоторые растения могут связывать азот из почвы в симбиозе с анаэробными бактериями, которые живут в их корневой системе. Если в атмосфере будет присутствовать значительное количество диоксида азота или аммиака, доступность азота будет выше. Кроме того, атмосфера экзопланет может быть насыщена и другими оксидами азота.

В аммиачной атмосфере растения, молекулы которых состоят из фосфора и азота, получали бы азот из атмосферы, а фосфор – из почвы. Клетки их окисляли бы аммиак для того, чтобы образовать аналоги моносахаридов, а водород выделялся бы как побочный продукт. Поэтому животные в таком случае будут вдыхать водород, расщепляя аналоги полисахаридов до аммиака и фосфора. Таким образом, энергетические цепочки формировались бы в обратной последовательности по сравнению с тем, что мы наблюдаем на Земле (на нашей планете в данном случае был бы распространен метан).

Авторское представление об экзопланете, на которой аммиак выполняет функцию воды / ©Ittiz

Азот + водород

Недавно, по словам теоретика-кристаллографа, химика, физика и материаловеда, популяризатора науки Артема Оганова, их группа установила одну интересную особенность соединений азота и водорода. Выяснилось, что сжатые азотоводороды могут давать гораздо более разнообразную химию, нежели углеводороды (причем эти соединения существуют в термодинамически стабильном состоянии). А ведь именно разнообразие углеводородов, как было сказано выше, дает нам такую биологическую вариативность.

Между тем азотоводородов во Вселенной очень много. Так, планеты Уран и Нептун на 8% состоят из аммиака (относящегося к простейшим азотоводородам), которого там намного больше, чем на Земле. Помимо всего прочего соединения азота и водорода имеют низкую температуру плавления, которая растет с давлением (как и температура в недрах планет).

«Для ковалентных соединений азота с очень сильными направленными связями тоже будет характерна метастабильность – иными словами, мало того, что под давлением есть необычайно большое число стабильных соединений, там еще будет практически неограниченное число метастабильных соединений, – пишет Артем Оганов. – А если туда начать добавлять другие атомы: кислород, серу, – то химическое разнообразие превысит разнообразие органической химии. Это та область химии, которую мы пока что практически не знаем и которая вышла из наших расчетов».

Возможна ли жизнь на таких планетах, как Уран и Нептун? Неизвестно. «Потенциальная проблема состоит в том, что время жизни метастабильных соединений в планетных условиях (высокие температуры и давления) может оказаться недостаточно долгим», – заключает химик.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Белые пятна планеты;

– Очень странные болезни;

– История денег.

Астрономы «озвучили» центр Млечного Пути

Астрономия  03.10.2020

Мы не можем напрямую увидеть центральные области Млечного Пути. Этому мешают лежащие на пути к ним плотные пылевые облака. К счастью, телескопы, работающие в различных спектральных диапазонах, дали нам возможность «пробиться» через пылевую завесу. Переводя изначально цифровые данные (в виде единиц и нулей) в изображения, доступные человеческому глазу, астрономы уже рассмотрели в галактическом центре немало интересного.

Но если единицы и нули можно представить в виде картинки, то как насчет звука? Команда специалистов миссии Chandra воспользовалась техникой под названием «сонификация» и преобразовала цифровые данные в мелодию. Таким способом ученые «озвучили» ряд снимков объектов дальнего космоса. Среди них — центр Млечного Пути, остаток сверхновой Кассиопея А, а также легендарные «Столпы Творения».

В случае с центром нашей Галактики воспроизведение начинается с левой стороны снимка и перемещается вправо, отображая звуки, зависящие от положения и яркости источников излучения. Свет объектов, расположенных ближе к верхней части изображения, воспроизводится как более высокие частоты, в то время как интенсивность света регулирует громкость. Звезды и компактные источники преобразуются в отдельные ноты, а облака межзвездного газа и пыли звучат как нарастающий гул. Когда мы достигаем яркой области в правом нижнем углу, возникает крещендо. Это место расположения сверхмассивной черной дыры, масса которой в 4 млн раз превышает солнечную.

При создании «мелодии» Кассиопеи А ученые присвоили собственную ноту каждому из четырех основных химических элементов (кремний, сера, кальций и железо), найденных в остатке сверхновой. Таким образом, звук отображает распределение вещества в туманности. В «Столпах Творения» воспроизведение также осуществляется слева направо, при этом видимому и рентгеновскому излучению соответствуют две разные мелодии.

По материалам: https://chandra.si.edu

Год назад купил на авито брусок монокристаллического кремния. Купил просто так, без особых планов на будущее. Но сегодня дошли руки до того чтоб превратить его в кольцо. Обрабатывал дремелем с насадками из карбида бора, наждачной бумагой и полировал войлочным кругом. Отличный акцессуар для айтишника, можно говорить что вертел на пальце процессор.)

Если заменить графитовый анод литий-ионной батареи на кремниевый, можно повысить емкость аккумулятора примерно в десять раз. Но во время зарядки кремний разбухает и может повредить внутренности батареи. Стартап Advano придумал, как обойти эту проблему.

Во время зарядки обычной литий-ионной батареи ионы лития не вызывают никаких химических изменений в графитовом аноде. Другое дело — кремний: в сочетании с литием он образует силицид лития, объемный сплав. Многие компании пытаются обойти эту проблему, настроив микроструктуру кремниевых слоев или частиц. Этим заняты Sila Nanotechnologies, Enovix, XNRGI. Все они начинают с газообразной или жидкой формы и пытаются вырастить совершенный материал для анода.

Стартап Advano из Нового Орлеана применяет обратный подход. Его суть — в производстве кремниевых частиц — не безупречных, но достаточно качественных и при этом в больших объемах. Затем материал уменьшают в размере. Процесс получается не такой контролируемый, зато бесконечно масштабируемый, пишет Spectrum.

Масштаб — важный параметр в производстве материалов, а технология Advano уже позволяет производить тонну продукции в год.

После завершения строительства фабрики объемы повысятся в десять раз, и основатели утверждают, что готовы выдавать тысячи тонн продукции. Этого должно хватить на 5 ГВт*ч батарей.

Сырье, которое использует Advano, это углеродная матрица с микронными частицами кремния внутри. Под действием химических веществ волокна карбида кремния начинают расти из каждой частицы, создавая нечто вроде пушка на поверхности, который обеспечивает механическую защиту.

Такой порошок можно наносить на графитовый анод в любой концентрации. Чем она выше, тем выше будет емкость.

Производителям батарей нужны разные соотношения емкости, срока службы и безопасности, и все это может обеспечить материал Advano. Например, если нужно, чтобы аккумулятор держал 1000 циклов заряда и разряда, не требуя охлаждения, кремний может составлять до 15% анода. Но иногда нужно всего 250 циклов, тогда можно добавить до 70% кремния и больше.

В прошлом году шведские ученые разработали сплав SiliconX, состоящий из кремниевых наночастиц и секретного материала. Изготовленные из него аноды повышают емкость литий-ионных батарей в пять раз.

Новость

Поразмыслил на досуге насчет эволюции.

Есть различные царства крупных и относительно крупных живых существ - насекомые, рептилии и млекопитающие животные.

Давным давно, планета настолько стара, существовали гигантские наскомые, например - стрекозы с размахом крыльев около метра. Так как всё живое несомненно трансформируются к условно-следующему порядку сознания то один или несколько(?) из видов насекомых форма и развитие строения нервной системы могла достигнуть осознанности, подобной сознанию настоящего человеческого. Разумные, по-своему конечно(!), насекомые.

По каким-то причинам они исчезли - катастрофа или конечность эволюции их сознания в этих условиях - то есть мира в целом (переход на другой мир слоя сознания) - отдельная но неразрывно связанная с дискуссией по теме законов существования в целом.

Следующей за эрой насекомых наступила эра рептилий, динозавров, прошедшая по тому же вектору эволюции сознания, но при неких других свойственных факторах, так же породив один или несколько видов разумных рептилий.

Так же массово исчезнувший, но, возможно и оставшиеся в живых, что, разумеется, не факт.

После эры динозавров пришла эра млекопитающих, животных. И появились мы - превосходящие разумом и осознанностью остальных млекопитающих приматы.

Каждая эра оставила рудименты в виде насекомых и рептилий раннего интеллекта.

Все упомянутые эры - кислородные. Известно так же, что атмосфера имела другой состав до выброса из недр земли кислорода, погубившего еще более древнюю и диковинную живность.

Возможно ту самую кремниевую форму жизни, о которой можно встретить информация в интернете, но не в научном мире.