Ученье – свет, в прямом смысле!
Человечество, все же еще как ребенок, на ощупь познает этот мир, ошибаясь и осознавая, что познать его невозможно! И вот на грани познания, возникают две вещи ( на мой взгляд) вера и философия, которые люди принимают уже без всяких знаний. Но мы все же пытаемся познать, по крайней мере, это интересно… Лет 15 назад, мне довелось участвовать в международной выставке по возобновляемой энергии в Абу - Даби . К тому времени, надо сказать, меня занимали эти вещи и я сам пытался реализовать несколько проектов в ОАЭ в этом направлении, но как всегда, мешали две вещи: недостаток финансов и возможностей! С местным техническим университетом и филиалами других, что там были, мне пришлось столкнуться, но ничего такого, что бы выходило за рамки моего понимания, к тому времени меня не заинтересовало, кроме одного. Чуть ниже, я попытаюсь как раз об этом и повествовать. В данном случае мы рассматриваем солнечный свет, стандартного спектра, и используем Солнечную постоянную С=1 кВт\м2. Все исследователи и производители солнечных панелей пытаются найти материал, который бы в лучшем виде преобразовал летящий к нам фотон в электрическую энергию. Для этого они перепробовали массу всевозможных композиций, с тех пор, как поняли, что при облучении солнцем некоторых веществ, в них возникает движение электронов. На самом деле, имея массу, а значит и энергию, летящий фотон света, выбивает из атомной решетки последний, самый слабо связанный с атомным ядром электрон, на место которого, в полупроводнике p-nпроводимости его место занимает «дырка». Так возникает, при замкнутой электрической цепи, ток. Мы знаем, что синий спектр солнечного света несет в себе энергию в три раза больше, чем инфракрасный, что кроме видимого, для глаза человека, он несет и не видимый и еще ряд тонкостей, которые пытаемся использовать при этом. Но все эксперименты с традиционными материалами: кремнием ( как самым распространенным материалом на Земле) и германием ( запасы которого сильно ограничены) закончились тем, что их скажем так, КПД, по преобразованию света в электроэнергию, заканчивались на 15%, и при сильных ухищрениях, его смогли поднять до 21%, что значительно подняло стоимость всего оборудования. А это, в конечном итоге, самая важная характеристика любого устройства. Это не лекция на физическом факультете МГУ, поэтому я попытаюсь простым языком пояснить суть совершенно простых, с т.з. Природы, процессов, описанных учеными неимоверно сложными рассуждениями и априорными функциями. Во многих случаях, это задачи, в которых масса неизвестных. Теоретически, было рассчитано, что используя один переход, без потерь, кроме радиационной рекомбинации ( опустим описание этого термина) в самом солнечном элементе, преобразованная энергия коррелирует с соответствующей эффективной запрещенной зоной. Эта зона 1,34эВ и КПД, или эффективность преобразованной энергии, 33,7%. При двойном и тройном переходе,эффективность увеличивается, и при бесконечном количестве переходов она может составлять порядка 68%. Но это теоретически, технологически сложно выполнить и создать конструкции с 3 и 4 –мя переходами, или они будут практически не эффективны, в результате большой стоимости, единицы энергии. Были придуманы масса всевозможных материалов. В глубинах нашей Земли, примерно на глубине около 2000км, при громадных давлениях и температуре природа создала минерал, который люди назвали именем ученого Перовскит, найден он был впервые лет 200 назад, у нас, на Урале. Они заметили, что в нем, два иона А и В, причем А, значительно больше В. Есть еще ион Х, который связан с ними, с обеими, и чаще всего это ион оксида. Так вот, все эти ионы, это различные металлы, наиболее эффективным их них, в данном случае, является галогенид свинца. Такой минерал можно использовать в производстве солнечных панелей, в виде гибкой пленки. Для него эффективная запрещенная зона 1,54эВ и эффективность преобразованной энергии может теоретически составлять 31%. Возможно, это и перспективное направление, но оно все же учитывает свойства материала, где свет, является как бы катализатором процесса. Все эти типы солнечных панелей со временем приходят к тому, что их энергия истощается. Кремниевые солнечные панели, работают по 20-25 лет, выдавая мощность до 90% от заявленной. У остальных типов панелей с этим есть большие проблемы. Перовскиты, и солнечные элементы на их основе, а так же органические элементы пока могут работать эффективно до 200 циклов, порядка 3 месяцев, затем их эффективность резко снижается. Возможно, в перспективе, их масштабирование и производство будет настолько дешево, что их можно будет менять, как картриджи, которые необходимо будет утилизировать, т.к. их основа, это ядовитый свинец. Но мир в поиске новых соединений, которые помогут человечеству избавиться от вечной проблемы – получения энергии. Учитывая, что сама солнечная панель, это самый дорогой элемент комплекса, который никогда не окупается, можно совершенствовать и это направление. Например, пассивную панель на 1 кВт, которая максимум преобразовывает, пусть 25%, реально выдает за 10 часов, только 6 кВтч электроэнергии, можно довести до 10 кВтч, заставив ее следить за поворотом Земли. Но это только часть задачи, хотя при 3000 часов солнечной погоды в год, это будет дополнительно 12 000 кВтч!. Вторая, задача в том, что такая панель будет иметь размеры 4 м2, и стоить будет минимум $5000, и если поставить ее в фокусе концентратора (в), сократив размеры в 10 раз, то и стоить она будет только 500 долларов, но для этого надо решить вопрос с отводом тепла от самой панели, что реально. Если все это посчитать за год, а лучше за три года, то эффективность введенных устройств будет видна сразу. Но все это должно быть доведено до совершенства и не должно вызывать трудности у пользователей.
Есть еще одно направление развития в решении этой задачи, это использование непосредственно энергии Солнца, что заинтересовало меня тогда, но и там я не нашел на него ответа. Что тут надо иметь в виду? Свет, это такая же электромагнитная волна, как и все остальные. Вспомним наш приемник. Там радиоволна, попадая на приемную антенну, преобразуется в колебательном контуре, и мы используем ее для получения информации. Но там волна отдает свою энергию. Зависимость длины волны и размера приемной антенны, вот главная задача, которую необходимо решить для того, что бы преобразовать свет в электрический сигнал. Разницы с приемником нет никакой, только в размере антенны. Причем, зная, что видимый ( и не видимы свет) свет, состоит их спектра, необходимо иметь антенны на все длины волн, помня, что синий спектр от 0,4до 1,6 мкм. несет все же 85% всей энергии сета. Эффективное преобразование света в электроэнергию будет зависеть только от того, насколько эффективно антенны будут улавливать весь световой поток, который не должен проскакивать между ними. Что это могут быть за антенны? Ниже спектр видимого света:
Фиолетовый 380 – 440нм ( 0,38-0,44мкм) 790 -680ТГц ( 790х1012Гц)
Синий 440-485 нм 680-620ТГц
Голубой 485-500 нм 620-600 ТГц
Зеленый 500-565 нм 600-530 ТГц
Желтый 565-590 нм 530-510 ТГц
Оранжевый 590- 625 нм 510-480 ТГц
Красный 625-740 нм 480- 405 ТГц
Ближний ультрафиолет 10-440 нм 10-680 ТГц
Исходя из этих данных, нам необходима антенна размером 1\4 от длины волны. Мы знаем, что фуллерен, имея размер кристаллической решетки 1,415 А0, взаимодействует с волной 532нм. являясь оптическим затвором. На самом деле молекула С60, это многогранник, где двойные углеродные связи имеющие общую сторону шестиугольников имеют размерность 1,39А0, а одинарные углеродные связи, имеющие общую сторону для пяти и шести угольников 1.44А0. Хранится фуллерен в темноте, т.к. на свету окисляется, при н.у. . Углеродные нанотрубки, имеют размерность: диаметр до 20нм и длину до 1 мкм. Имея такие размеры, они способны принимать электромагнитную волну и преобразовывать ее в диапазоне до красного света, что не устраивает нас в данном вопросе. Но, выбрав их размером до 100 нм. длиной при том же диаметре, они в состоянии принимать весь видимый спектр, а длины от 10 до 100 мкм, примут еще и ближний спектр ультафиолета. Получить нано трубки и классифицировать их нужных размеров: диаметром 10-20нм и длиной 10-200нм. эта задача реальная и посильная. Вторая задача состоит в том, что бы поставить их вертикально, на расстояниях менее 1\4 длины волны. Что так же реально. Третья задача, которую необходимо решить, что бы при опирании и фиксации их к подложке, был создан локальный колебательный нано контур (КНК). Масса всех этих КНК, соединенных последовательно и параллельно, на выходе должны выдавать ток, который впоследствии преобразуется через инвертор, в необходимый и с нужными характеристиками. Задачи простые, но требующие понимания всех процессов, происходящих в размерностях, начиная с размера ангстрема до наноразмера частицы. Возможно, использование и самой структуры нанотрубки, облученной светом, как источника энергии, за счет применения манипуляций к (би) экситону. Пока видимых достижений в этой области отслежено не было, поэтому есть куда двигаться каждому, кому интересна эта тема.
Станислав Петрашко
28 апреля 2022 года.