Советские ученые на протяжении долго времени задавались целью создания устройства, которое преобразовало бы солнечную энергию в электричество. Неудивительно, ведь энергия солнечного излучения, которая падает на площадь в 1 гектар, способна обеспечить функционирование электростанции мощностью в 10 000 квт.
В 50 годы проводились исследования, в ходе которых было выяснен, что германиевые и кремниевые полупроводники обеспечивают превращение света в электрическую энергию. Это можно было назвать прорывом ученых.
При покрытии площади в один квадратный метр пластинами из кремния или германия, при достаточном количестве солнечного света удастся получать энергию ориентировочно в 50–60 вт.
Однако в то время солнечные батареи едва ли могли быть альтернативой ТЭЦ, ГЭС. Для получения мощности в 30 000 квт необходимо было устанавливать такие пластины на площадь в 100 гектаров. К слову, первые успешные попытки освоения солнечной энергии учеными будут достигнуты в 70 годах.
При этом в 1953 году солнечные батареи уже можно было применять для обеспечения энергией небольших устройств, например, радиоприемников. Конечно же, такие батареи могли служить в качестве дополнительных источников энергии.
Ядро кремния окружается 14 электронами, которые расположены в три слоя по 2, 8, 4 штуки.
В температурных условиях, равных абсолютному нулю, в кристаллах кремния и германия не будет свободных электроном. В таком случае они становятся изоляторами. При наращивании температуры повышается средняя энергия теплового движения электронов. Некоторые из них отрываются от атомов, выхватываются другими атомами. С ростом температуры повышается и количество свободных электронов, повышая проводимость материала. Это особенность полупроводников, а также основное отличие от простых изоляторов.
Проводники предполагают значительное количество свободных электронов. Примерно оно пропорционально количеству атомов, практически не зависит от температуры проводника. Особенностью кремния становится то, что на 1 свободный электрон приходится 1 000 000 атомов. Может произойти так, что у атома может не хватать электрона в электронной оболочке, но он может стать нейтральным при схватывании свободного электрона.
С помощью примесей можно повышать проводимость кристалла. Атомы мышьяка и других предусматривают по 5 электронов во внешней оболочке. В окружении кремниевых атомов, атом данного элемента может отдавать свои электроны. Но, например, атомы бора, алюминия и прочих предполагают три внешних электрона. В окружении кремниевых атомов они могут захватывать недостающие электроны. В этом случае удаленные от атома электроны будут стремиться попасть на свободный участок. Такие примеси позволяют регулировать проводимость, делать таковую положительной или отрицательной.
На примере фотоэлемента (полупроводникового устройства) можно изучить случай с избытком электронов на линии раздела между атомами кремния с разными проводимостями. В этом случае электроны будут создавать разность потенциала, просачиваясь через плоскость контакта.
При замыкании обеих зон устройства на внешнюю нагрузку образуется электрический ток. Такая цепь будет предоставлять электроэнергию.
В солнечной батарее используется основная пластинка кремния размером с лезвие безопасной бритвы. Она предполагает отрицательную проводимость, по причине наличия мельчайшей части примеси мышьяка. Данная пластина обрабатывается в газовой среде с примесями. В качестве таковых может выступать бор, который при взаимодействии с поверхностным слоем материала создает прозрачный для солнечного луча, тонкий слой кремния с положительной проводимостью, резкой, ровной границей перехода между слоями. Это необходимо для обеспечения работы батареи.
Между двумя слоями образуется разность электрических потенциалов при воздействии солнечного света. Результатом становится образование электрического тока. При параллельном соединении большого количества таких батарей можно создать мощный источник тока. Он будет способен обеспечивать электроэнергией сложные устройства.
Первым космическим аппаратом, где использовались солнечные батареи, стал «Спутник-3».
#наука и техника #физика #ссср история наука #космос