Природа, которая нас окружает воспета в стихотворениях поэтов, в рассказах писателей, в картинах художников. Там можно встретить разное описания радуги, дождя, океанских волн, солнечного света. Глядя на картину абстракциониста, никогда не подумаешь, что изображено море или дерево, но художник так видит и судя по тому, что его картины покупают, так видит не он один. Все это разные подходы к описанию природы.
Но существует и другой подход к описанию природы, называемый научным, когда реальный мир заменяется миром абстрактных понятий и между этими понятиями ищут взаимосвязи. Например, силу, массу и ускорение мы не наблюдаем в окружающем нас мире. Эти понятия введены физиками для описания движения. И их взаимосвязь в виде закона Ньютона
F=ma
позволяет описать, например, движение планет или запуск ракеты. Мы не видим электрического тока, но рассуждаем о напряжении и силе тока. То же и с электромагнитными волнами и светом.
Что же такое свет?
Понаблюдаем за ним.
Если направить солнечный луч на стеклянную призму, то мы увидим, что часть света отразилась, часть преломилась в стекле и то, что прошло через призму, распалось на все цвета радуги.
Предметы в солнечный день отбрасывают тень, как если бы этот предмет обстреливали маленькими шариками, и он закрывал как щит часть пространства за собой. А через маленькую дырочку в листе свет начинает распространяться во все стороны. Для описания всех этих явлений физики придумали фотон. Из школьного курса физики мы знаем, что частица в микромире ведет себя как частица и волна, ей присущ дуализм. В известном двухщелевом эксперименте фотон ведет себя как волна, а в экспериментах по давлению света - как частица. Еще фотон движется со скоростью света и, значит, обладает массой покоя равной нулю, но при этом оказывает давление. Но как это возможно? Как может частица с нулевой массой оказывать давление.
Начнем с того, что мы не можем понять, как выглядит фотон и что это такое. Современная физика не дает ответа на вопросы почему это так, а не иначе, и как представить что-то. Наши представления ограничены тем, что нас окружает, что мы видим и осязаем. Представить себе то, с чем мы не встречались в нашем мире невозможно. Поэтому физики нашли аналогии в поведении фотона в экспериментах с известными понятиями - волны и частицы. Но фотон не волна и не частица, а нечто третье. Это третье не обладает массой покоя, но обладает импульсом.
Это знаменитая формула Планка, которая дала толчок развитию нового направления физики- квантовой механике. Согласно представлениям квантовой механики данный волновой пакет обладает импульсом p также зависящим от частоты (характеристики поведения частицы).
Волновому пакету с протяженностью 1 наносекунда соответствует длина пакета 30 см. На рисунке ниже можно увидеть диапазоны волновых пакетов с разной длиной волны и их название.
Если рассматривать излучение нашего Солнца, то можно увидеть следующую картину для зависимости между интенсивностью излучаемого света и длиной волнового пакета – фотона.
Наибольшая интенсивность приходится на видимый свет и инфракрасную область.
Что еще надо знать о свете? Свет распространяется прямолинейно. Это Да. Лучик свет падает на поверхность по прямой.
Интересен вопрос взаимодействия света с веществом.
Согласно физическим представлениям, падающая электромагнитная волна вызывает колебания атомов вещества, на которое она попадает. Эти колебания атомов являются источником вторичных электромагнитных волн. Часть из этих вторичных волн распространяются внутрь вещества и это преломленные волны. На рисунке показан фронт преломленной волны, распространяющийся вглубь вещества. Часть вторичных волн создают отраженный фронт волны. Это отражение света. Отражение и преломление происходит в плоскости, которая перпендикулярна поверхности, на которую падает свет.
Теоретический расчет приводит к выводу, что в однородной среде вторичные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме направления распространения первичной волны. Но дело еще в том, что атомы разных веществ по-разному реагируют на падающую электромагнитную волну, и в отраженный свет вторичной волны попадает только часть волновых пакетов. И мы видим различные цвета предметов. Так кирпич красный, потому что белый солнечный свет, который состоит из всех цветов радуги, отразил только красный свет. Мы видим только отраженный свет кирпича, ведь он не лампочка и не излучает света. Что происходит с остальными цветами? Они поглощаются молекулами и атомами кирпича (вещества). Но если поглощать и поглощать энергию, то рано или поздно кирпич взорвется, а этого не происходит. Вместо этого кирпич нагревается на солнце, т.е. он начинает выделять фотоны с большей длиной волны, и это тепловое излучение.
Мы пришли к вопросам поглощения света веществом. Если точнее к взаимодействию волнового электромагнитного цуга фотона с атомами вещества. Здесь не обойтись без квантовой механики. Согласно постулатам – законам, электроны в атоме находятся на стационарных орбитах с соответствующими им уровнями энергии. Поглощаться и испускаться могут лишь фотоны или кванты с энергиями равными разнице энергий между орбитами электронов. Поглощаемая или испускаемая атомами энергия имеет дискретные (не непрерывные) значения.
Если взять два соседних атома, расположенных близко друг к другу, то происходит расщепление одной орбитали, по которым движется электрон, на две. Возьмем больше атомов и расщеплений будет больше, они будут образовывать целые зоны. Но пространство между соседними орбиталями все равно останется пустым. На рисунке изображены энергетические зоны полупроводника. Серым цветом обозначены зоны орбиталей, которые могут быть заполнены электронами. Белым обозначено пространство, в которое электроны попасть не могут. Самая верхняя из заполненных зон называется валентной. При низкой температуре Т=0 К — это область с самой высокой энергией, которая может быть заполнена. Атомы этой зоны, как правило, участвуют в химических, тепловых и других процессах. Для того чтобы вещество начало проводить электрический ток, требуются электроны, которые открепились от своего атома и перешли в зону проводимости, где они стали бы обобществленными другими атомами. Для этого необходима энергия. Энергию можно передать веществу теплом или светом. Именно под действием света и тепла полупроводник начинает проводить электрический ток.
Механизм поглощения света полупроводником достаточно сложен для описания исключительно словами, требуется обращение к формулам и специальным разделам математики.
Для перехода электронов между орбиталями (уровнями энергии), атом должен поглотить фотон (волновой пакет) только строго определенного значения энергии и, как следствие, частоты.
Почему мы заговорили о полупроводниках. В солнечной батарее нам необходимо получить из света электричество. Один из самых распространённых методов — это освещение p-n перехода полупроводника. Фотоны сообщают энергию носителям заряда, которые разделяются электрическим полем p-n перехода и создают разность потенциалов в солнечном элементе. Эта разность потенциалов как + и – у батарейки. Если присоединить к этому солнечному элементу нагрузку, то через нее потечет электрический ток. Более подробно о p-n переходе можно почитать здесь https://pv-sys.ru/blog/kak-rabotaet-solnechniy-element. Полупроводниковый материал кремний наиболее близок по спектру поглощения к солнечному свету. И солнечные элементы в своей массе делаются из кремния.
Рабочим элементом солнечной батареи служить солнечный элемент или ФЭП. В нем происходит преобразование энергии фотонов в электрическую энергию. Все остальные компоненты солнечного модуля стекло, ламинирующая пленка, задняя подложка, алюминиевая рамка служат только для того, чтобы обеспечить долговременную работу модуля.
Стекло и ламинирующая пленка должны как можно меньше отражать и самостоятельно поглощать свет, пропуская его в работу к солнечному элементу. Чтобы выполнить это условие необходимо использовать качественные материалы.
Вы можете прочесть в моем блоге, как правильно выбирать солнечную батареи.
Свет — это то, что нас окружает, то что всегда использовалось человечеством с самых древних времен. Более полное использование света — это движение вперед в развитии цивилизации.
