Гелиоэнергетика: состояние и перспективы
создать новые устройства, в которых
указанные недостатки окажутся менее существенными. В высоколегированных
полупроводниках, где ширина запрещенной зоны значительно больше, второй из
названных недостатков выражен значительно слабее. В этом случае число
носителей, преодолевающих р-n-переход «окольными» путями, уменьшается.
Проводятся перспективные исследования по созданию более сложных устройств,
схематически показанных на рис. 13.
Рис. 13. Типы фотоэлектрических генераторов: а—однокаскадный;
б—многокаскадный.
Солнечная радиация сначала попадает на элемент, изготовленный из
полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, благодаря чему он
обладает высоким КПД в нужной нам части солнечного спектра. Фотоны с
энергиями ниже Eз не оказывают воздействия на этот элемент, материал
которого для них по существу является прозрачным. Пройдя через первый
каскад, эти фотоны попадают во второй, выполненный из материала с меньшей
величиной Eз (по сравнению с первым элементом). Его способность захватывать
эти фотоны высока, хотя КПД ниже, чем у первого элемента. Такое сочетание
двух солнечных элементов позволяет получить более высокий суммарный КПД,
чем для каждого из них в отдельности. Возможность дальнейшего
совершенствования такого рода устройств открывается с применением для их
изготовления интегральной технологии и созданием так называемого
интегрального генератора, в котором ширина запрещенной зоны изменяется с
глубиной; она велика у облучаемой поверхности, а затем уменьшается в глубь
материала. Эта и другие новые разработки фотоэлектрических генераторов
открывают дальнейшие перспективы повышения их КПД; предполагается, что КПД
фотоэлектрических систем может достигнуть 50—60%, то есть превысить КПД
любых других систем. Особое внимание уделяется вопросу удешевления
конструкций фотоэлектрических генераторов, поскольку созданные до
настоящего времени устройства оказались чрезвычайно дорогостоящими.
Еще 10-20 лет назад цена фотоэлектрического преобразователя площадью в 1
см2 составляла в среднем несколько долларов. Причины такой высокой
стоимости понятны, если учитывать чрезвычайно высокие требования к чистоте
полупроводниковых материалов. В последние годы удалось удешевить
производство, заменив дорогой монокристаллический кремний
поликристаллическим и разработав новые технологии изготовления элементов. В
результате стоимость наземных солнечных батарей снизилась в несколько раз.
Также вместо чистого кремния стали применять относительно новый
полупроводник алюминий-галий-мышьяк (AlGaAs) - с ним связывают надежды на
новое снижение стоимости фотоэлементов.
IV. Химическое преобразование солнечного излучения (фотохимия).
Давно замечено, что солнечное излучение вызывает различные химические
превращения, например, отбеливает красители. Это явление веками
использовалось людьми на практике. Но лишь в XVIII в. стало известно, что
под влиянием освещения происходит почернение некоторых солей серебра. В
1839 г. Беккерель, исследуя подобный эффект, обнаружил, что при изменении
освещенности одного из электродов химического элемента разность потенциалов
на его электродах изменяется. Это послужило началом развития новой области
знаний, названной фотохимией, а в последнее время известной как
радиационная химия.
Хотя некоторые из результатов исследований в фотохимии имеют важнейшее
значение для человечества—здесь в первую очередь мы должны назвать
фотографию—однако другие практические приложения ее пока весьма
ограниченны. Отчасти это обусловлено отсутствием надлежащей аппаратуры для
постановки экспериментов. Только недавно стало возможным изучение ранних
стадий фотохимических реакций, продолжительность которых иногда составляет
миллионные доли секунды. И теперь фотохимия начала бурно развиваться.
Фотодиссоциация
При поглощении солнечной радиации атомами и молекулами вещества в нем
возникают разнообразные физические эффекты. Например, при нагревании тел
под действием солнечного излучения колебательные и вращательные движения
составляющих их молекул становятся более интенсивными. Эти эффекты
обусловлены, перераспределением внутри тела энергии фотонов падающего
излучения. Теперь будет рассмотрен следующий этап воздействия радиации на
вещество: разделение, или лизис, молекул и образование новых химических
соединений.
С точки зрения преобразования энергии процесс фотолиза интересен тем, что
он позволяет «запасать» солнечную энергию посредством получения более
устойчивых химических соединений. При необходимости эту энергию можно
реализовать, например, в виде тепла, выделяемого при сжигании таких
веществ. Одной из разновидностей фотолиза является разложение воды на
водород и кислород. Реакцию разложения воды можно записать в следующем
виде:
2Н2О + солнечная энергия > 2Н2 + О2 (3)
Затраченную при этом солнечную энергию (по крайней мере часть ее) в
дальнейшем мы могли бы получить либо при сжигании водорода и кислорода в
печи или двигателе внутреннего сгорания, либо в топливном элементе, где в
результате соединения водорода с кислородом с образованием воды
вырабатывается электроэнергия. Отсюда видно, насколько важное значение в
жизни людей могло бы иметь осуществление такого рода процессов. Они
заслуживают того, чтобы исследовать возможность их реализации.
Почему же процесс, описанный уравнением (3), не возникает естественным
образом в природе? (В противном случае в воздухе содержалось бы много
водорода и было бы мало воды.) Такой процесс мог бы произойти, если бы
энергия отдельного фотона оказалась достаточной для разложения молекулы
воды. Если же какая-то молекула уже получила порцию энергии от одного
фотона, то поглощение ею второго фотона исключено. Даже при обычных
температурах молекулы газа или пара каждую секунду испытывают около 109
столкновений, поэтому любой избыток энергии довольно быстро
перераспределяется среди соседних молекул. Сейчас разложение воды на
кислород и водород осуществляется в процессе электролиза. В результате
этого процесса под действием электрического напряжения молекулы воды
разлагаются на ионы противоположного, знака. Совершаемую при этом работу
легко измерить. Для диссоциации одной молекулы воды необходима энергия
около 3 эВ. Если процесс диссоциации производится под действием солнечной
радиации, то длина волны световых фотонов должна быть меньше 0,4 мкм.
Однако в спектре солнечного излучения на уровне моря такие фотоны
составляют лишь 3%, следовательно, КПД процесса не превышает 2%. Несмотря
на это, использование данного процесса могло быть практически
целесообразно, если бы для его реализации не требовалось больших
материальных затрат. Основная трудность заключается в том, что вода
прозрачна для фотонов с длиной волны около 0,4 мкм (иначе говоря,
поглощение таких фотонов молекулами воды слишком слабое), поэтому КПД
процесса оказывается еще меньше. Как видно из рис. 14, при этих длинах волн
вода только начинает проявлять сколько-нибудь заметную поглощательную
способность.
Рис. 14. Поглощение солнечной радиации в воде.
Энергия фотонов в этой области достаточна для диссоциации воды, однако в
солнечном спектре на уровне моря такие фотоны, отсутствуют.
Слабое поглощение фотонов водой препятствует и широкому использованию
указанному выше способу разложения воды, то же можно сказать и о других
реакциях, например с получением перекиси водорода. Созданию такого типа
постоянно действующего аккумулятора энергии препятствует многое. Довольно
часто продукты диссоциации оказываются настолько реактивными, что почти тут
же вступают в реакции. В других случаях эти продукты сами поглощают энергию
радиации, что приводит к образованию менее полезных промежуточных
соединений. Однако поисковые исследования в этой области продолжаются. В
принципе совсем необязательно, чтобы исходный материал был дешевым и
широкодоступным, поскольку возможны реакции, в которых происходит
регенерация рабочего вещества, то есть запасенная в нем энергия
восстанавливается, а само вещество можно использовать повторно и т. д.
Таким образом, круг веществ, пригодных для осуществления рассматриваемых
реакций, значительно расширяется.
Фотохимический элемент
Одним из проявлений фотохимической активности может служить возникновение
разности потенциалов на зажимах химического элемента при освещении одного
из его электродов. Именно разность потенциалов играет здесь решающую роль.
Простейший химический элемент представляет собой два электрода из одного
металла погруженные в электролит, содержащий ионы того же металла. В таком
элементе разность потенциалов возникает лишь в том случае, если активность
ионов вблизи электродов различна. В слабом электролите различие в
активности можно получить освещением одного из электродов. Радиация
вызывает самые разнообразные эффекты — от простейшего возбуждения до
эмиссии электронов из атомов. Большинство таких эффектов приводят к
нарушению равновесия в процессах, происходящих на электродах. Таким
образом, если один из электродов элемента освещать солнечными лучами, то
благодаря поглощению энергий световых фотонов электроны
| |  скачать работу |
Гелиоэнергетика: состояние и перспективы |
