Навигация
2.1 Фотоефект
У 1887 році Г. Герц спостерігав явище, яке згодом стало поштовхом у розвитку квантових уявлень про природу світла. Під час опромінення ультрафіолетовим світлом негативно зарядженої пластинки відбувався сильніший електричний розряд, ніж за відсутності такого опромінення. Як з'ясувалося пізніше, це було проявом явища фотоефекту — виходу електронів з тіла в інше середовище або вакуум під дією електромагнітного випромінювання. Цей вид фотоефекту називають зовнішнім, або фотоелектронною емісією (Мал.1.).
Мал 3. Ілюстрація вибивання фотоелектронів із металевої пластини.
Фотоефект є результатом трьох послідовних процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню поділу.
У 1888—1889 р. це явище докладно вивчав російський учений О. Г. Столєтов (1839— 1896). Він виготовив конденсатор, одна з обкладок якого С була сітчастою, й увімкнув його в електричне коло з гальванометром (Додаток Б).
Коли на негативно заряджену цинкову обкладку Р падає ультрафіолетове світло, у колі виникає струм, який фіксує гальванометр. Якщо джерело струму Е увімкнути протилежно (обкладку Р приєднати до позитивного полюса), то струм у колі не йтиме. За допомогою потенціометра R напругу на конденсаторі можна змінювати.
Вивчивши за допомогою такої установки залежність сили струму від частоти хвилі світла, його інтенсивності, інших характеристик випромінювання, О. Г. Столєтов установив три закони фотоефекту:
1) число електронів, що вилітають із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційне його інтенсивності. У 1888 р. німецький фізик В.Гальвакс встановив, що під дією світла металева пластинка заряджається позитивно
2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла VQ, за якої ще можливий зовнішній фотоефект;
3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.
При поясненні цих висновків на основі хвильової теорії виникли протиріччя між її положеннями й одержаними результатами. Це змусило вчених шукати інше тлумачення механізму поглинання світлового випромінювання. З цією метою А.Ейнштейн застосував квантові уявлення про природу світла і на їх основі вивів рівняння фотоефекту.
де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.
Це співвідношення називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. За пояснення законів зовнішнього фотоефекту А. Ейнштейн у 1922 р. був удостоєний Нобелівської премії.
Як відомо, для того щоб електрон покинув тверде тіло або рідину, він має виконати роботу виходу A0, тобто подолати енергетичний бар'єр взаємодії з атомами і молекулами, які утримують його всередині тіла. За квантовою теорією поглинання світла, це передавання фотоном усієї своєї енергії мікрочастинкам речовини. Отже, фотоефект може відбутися лише за умови, що фотон має енергію більшу за роботу виходу (hv > A0); якщо ж hv < А0, то фотоефект неможливий. Якщо енергія фотона, передана електрону внаслідок поглинання світла, більша за роботу виходу, то електрон набуває кінетичної енергії.
Мінімальну частоту v0 (або максимальну довжину хвилі 0) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту
Фотоелектрони — це електрони, вибиті з поверхні тіла внаслідок фотоефекту
Фізичний зміст роботи виходу в металів полягає в тому, що це мінімальна енергія, потрібна для виходу електрона з тіла у вакуум. Тому, крім хімічної природи металу, вона істотно залежить від стану поверхні тіла
2.2 Практичне застосування фотоефекту. Фотоелементи
Явище фотоефекту практично було застосоване в пристроях для прямого перетворення світлової або сонячної енергії в електроенергію, які називаються фотоелементами (з англійської Photovoltaics, від грецького photos – світло і назви одиниці електрорушійної сили – вольт) (Додаток В). Історія фотоелементів бере початок в 1839 році, коли французький фізик Едмон Беккерель відкрив фотогальванічний ефект. За цим послідували подальші відкриття:
У 1883 р. електрик з Нью-Йорка Чарльз Фріттс виготовив фотоелементи з селену, які перетворять світло у видимому спектрі в електрику і мають ККД 1-2%. (світлочутливі елементи для фотоапаратів до цих пір роблять з селену).
На початку 50-х років ХХ століття був винайдений метод Чохральського, який застосовується для вирощування кристалічного кремнію.
Перша сонячна батарея була створена в 1953 році вченими Національного аерокосмічного агентства США, які створили справжню сонячну батарею - пристрій, що безпосередньо перетворює енергію сонця в електрику.
Спочатку це була просто демонстраційна модель. Якогось практичного вживання тоді не передбачалося із-за дуже малої потужності перших сонячних батарей.
Але з'явилися вони дуже вчасно, для них незабаром знайшлося відповідальне завдання.
Людство готувалося зробити крок в космос. Задача забезпечення енергією численних механізмів і приладів космічних кораблів стала однією з першочергових. Існуючі акумулятори, в яких можна б було запасти електричну енергію, неприйнятно громіздкі і важкі. Дуже велика частина корисного навантаження корабля пішла б на перевезення джерел енергії, які, крім того, поступово витрачаючись, скоро перетворилися б на даремний громіздкий баласт. Найпринаднішим було б мати на борту космічного корабля власну електростанцію, бажано - що обходиться без палива. З цієї точки зору сонячна батарея виявилася дуже зручним пристроєм. На цей пристрій і звернули увагу вчені на самому початку космічної ери.
Вже третій радянський штучний супутник Землі, виведений на орбіту 15 травня 1958 року, був оснащений сонячною батареєю. А зараз широко розкриті крила, на яких розміщені цілі сонячні електростанції, стали невід'ємною деталлю конструкції будь-якого космічного апарату. Невеликі (менше 1 вата) фотоелектричні батареї живили радіопередавач американського космічного супутника «Авангард». Взагалі, космічні дослідження зіграли важливу роль в розвитку фотоелементів.
У 1954 р. в лабораторії компанії «Bell Telephone» синтезували силіконовий фотоелектричний елемент з ККД 4%, надалі ефективність досягла 11%.
Під час нафтової кризи 1973-74 рр. відразу декілька країн запустили програми по використанню фотоелементів, що привело до установки і випробування понад 3100 фотоелектричних систем лише в Сполучених Штатах. Багато хто з них до цих пір знаходиться в експлуатації.
Подальша історія розвитку технології фотоелементів:
1974 - перша аморфна кремнієва батарея;
1983 - перша електростанція на основі сонячних батарей з потужністю більш 1мегаватт;
1984 - США, електростанція на основі сонячних батарей потужністю 6,5 мегават;
1985 - перша сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 20%;
1987 - перше серійне виробництво сонячних батарей в Європі;
1989 - сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 30%;
2007 - дослідники з Делавера (США) створили сонячну батарею, яка володіє рекордною ефективністю - 42,8%. Батарея, виконана на основі полікристалічного кремнію містить унікальну оптичну систему, що розділяє світло на декілька пучків з різною енергією і спрямовує їх на відповідні приймачі.
Розділ 3. Сонячні батареї
Похожие работы
... ККД. На відміну від поширених систем централізованого кондиціонування, вона ґрунтується на циркуляції хладагента за численними розгалуженими каналах, також пронизливий підлоги на всіх поверхах. 2. Використання енергії морських хвиль та припливів Дещо більшим від ресурсів гідроенергії є світовий ресурс енергії морських хвиль та припливів. Найбільш поширеним способом використання енергії ...
... іонування у французькій мові науково-технічного, і, зокрема, науково-популярного стилю, до якого ми відносимо тексти на тему АВЕ. Ці тексти є, по суті, матеріалом, на якому ми з практичної точки зору будуємо своє дослідження лексичних особливостей перекладу французької науково-технічної літератури на українську мову [31, c.53-54]. 1.3 Науково-технічна термінологія як система 1.3.1 Термін як ...
... їнсько-російський КА “Океан-О” 2.4.2 Призначення КА “Океан-О” оперативне отримання і передача користувачам даних дистанційного зондування для дослідження природних ресурсів Землі та Світового океану; вирішення господарських завдань природокористування; екологічний моніторинг; попередження та контроль надзвичайних ситуацій. 2.4.3 Вимірювальна апаратура КА “Океан-О” Таблиця 2.4 Вимі ...
... якого разом з можливістю розвернути величезні виробничі потужності за наявності достатньої кількості сировини дали б змогу Україні посісти гідне місце на світовому ринку постачальників компонентів для сонячних електростанцій. Висновки Використання альтернативних джерел енергії є важливим як в національному, так і міжнародному масштабі – з точки зору реакції на глобальні кліматичні зміни та ...
0 комментариев