Системы преобразования солнечной энергии в химическую и электрическую

Размещено на http://allbest.ru

Реферат

Системы преобразования солнечной энергии в химическую и электрическую

Самара 2013



Содержание

Введение

1. Преобразование солнечной энергии в тепловую энергию

2. Фотоэлектрические методы преобразование солнечной энергии

3. Фотоэлектрохимические методы преобразование солнечной энергии

Заключение

Список использованных источников



Введение

Среди всей совокупности источников энергии особое место занимает Солнце, для преобразования энергии которого используют тертермодинамические (тепловые), фотоэлектрические и химические методы. Большое внимание ускоренному развитию этих методов уделяется во многих странах мира, свидетельством чему является проведение различных международных и национальных научных и научно-прикладных конференций, симпозиумов и выставок.

На значение преобразования солнечной энергии впервые обратил внимание в начале 70-х годов прошлого века нобелевский лауреат по химии, академик Н.Н. Семенов. По сделанным им оценкам, годовая выработка энергии электростанций мощностью 1 ГВт содержится в солнечной энергии, падающей на квадрат со стороной 3 км на широте Москвы и 2,3 км -- в Средней Азии. Расчеты показали, что в 1980 г. годовая выработка электроэнергии в СССР -- 1360 млрд. кВт*ч, при 20%-ой эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую (кпд), могла бы в Средней Азии собираться с площади 64,7Ч64,7 км2. Для сравнения: площадь, занимаемая в США дорогами с твердым покрытием в 1972 г. (протяженность -- 6 млн. км) превышает площадь квадрата со стороной 150 км. Таким образом, ясно, что потенциальные возможности солнечной энергетики весьма высоки, не говоря уже об ее экологической чистоте [1].

Среди перечисленных выше способов преобразования солнечной энергии метод использования фотоэлементов имеет ряд неоспоримых достоинств. К ним относятся: а) прямое преобразование энергии световых квантов в электричество; б) разнообразие элементной базы для создания солнечных фотоэлементов (СФЭ); в) отработанные технологии и возможность создания модульных систем различной мощности; г) возможность использования концентрированного (до 1--2 тысяч раз) солнечного излучения и ряд других. Предельный теоретический кпд для CФЭ, определяемый только термодинамическими потерями, может достигать 85%, а для реальных систем вполне достижимы значения в 45--55%. Например, тандемные и многокаскадные СФЭ на основе соединений типа AIIIBV (арсенид галлия, системы AlGaAs, AlGaInAs и др.) уже имеют кпд более 40%.

Относительные недостатки метода связаны с высокой себестоимостью СФЭ и энергетических станций на их основе и высокой токсичностью производства материалов для фотоэлементов («солнечного» кремния, полупроводников, содержащих кадмий, мышьяк, селен, теллур и т.д.).

Следует отметить, что в последние годы наметились пути преодоления этих недостатков, связанные с использованием новых технологий, в том числе нанотехнологий, новых полупроводниковых органических материалов и принципиально новых конструкций гетеропереходных СФЭ с использованием квантовых точек, квантовых проводов и т.д [2].



1. Преобразование солнечной энергии в тепловую энергию

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую энергию, электрическую, химическую и другие виды.

Преобразование в тепло - один из наиболее древних и наиболее эффективных способов преобразования солнечной энергии. В настоящее время имеются эффективные установки различной мощности для получения тепловой энергии. Они используются для обогрева помещений, нагрева воды и даже приготовления пищи.

Системы солнечного теплоснабжения используются для сушки, горячего водоснабжения, отопления. По продолжительности работы они могут быть круглогодичными и сезонными. Стоимость установок горячего водоснабжения может составлять 15-35% от стоимости объекта. По техническому решению установки могут быть: прямоточными, одноконтурными, двухконтурными, многоконтурными. Некоторые из схем горячего теплоснабжения приведены на рисунках.

В установках, работающих по прямоточной схеме, теплоноситель подается в солнечные коллекторы или в теплообменник гелиоконтура, где он нагревается и поступает либо непосредственно потребителю, либо в бак аккумулятора. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то теплоноситель дополнительно нагревается в дублирующем источнике тепла.

В контурных схемах передача тепла от солнечного коллектора осуществляется либо через бак аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей, либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака, так и вне него. Площадь солнечных коллекторов, необходимая для систем отопления, обычно в 3-5 раз превышает площадь поверхности коллекторов для систем горячего водоснабжения.

К комбинированным системам могут быть отнесены установки круглогодичного действия для целей отопления и горячего водоснабжения, а так же установки, работающие в режиме теплового насоса для целей теплохладоснабжения [3].

2. Фотоэлектрические методы преобразования солнечной энергии

Из известных способов преобразования энергии Солнца в электрическую наиболее эффективный и проверенный -- фотоэлектрический, с помощью полупроводниковых солнечных элементов. Впервые фотоэффект, возникновение электрического тока при поглощении света веществом, наблюдал в электролитической ячейке А. Беккерель в 1839 г. А. Эйнштейн в 1905 г. объяснил законы фотоэффекта, сформулированные А.Г. Столетовым, квантовым характером излучения и поглощения света.

В 30-х годах ХХ века в Ленинградском физико-техническом институте были созданы первые в мире сернисто-талиевые фотоэлементы с эффективностью или кпд около 1%. Кремниевые СФЭ с кпд около 5% заработали в 1958 г. на советском и американском искусственных спутниках Земли.

При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300-350 Кельвинов и Т солнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД >90 % . Это означает, что, в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя, направленной на снижение необратимых потерь энергии, вполне реально удастся поднять практический КПД до 50% и более ( в лабораториях уже достигнут КПД.

Теоретические исследования и практические разработки, в области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии подтвердили возможность реализации столь высоких значений КПД ФЭП и определили основные пути достижения этой цели [2].

Для нас он интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м2.

А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м2. Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию - электрическую.

Фотоэффект - это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.

В 1900г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями -- квантами (или фотонами).

Энергия каждого фотона определяется формулой:

Е = h•н,

где h -- постоянная Планка, равная 6,626 Ч 10-34 Дж•с, н - частота фотона.

Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, который, путем обобщения полученных результатов, установил следующие три закона фотоэффекта:

1.При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2.Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.

3.Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины, называемой красной границей.

Теорию фотоэффекта, проясняющую таинство, царящее в ФЭПе, развил немецкий ученый Альберт Эйнштейн в 1905г., объяснив законыфотоэффекта с помощью квантовой теории света. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн записал уравнение для энергетического баланса при фотоэффекте:

где: h•н - энергия фотона, А - работа выхода - минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества.

Таким образом, получается, что частица света - фотон - поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию Ѕm·v2 и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться.

А направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток, или, правильнее говоря, в веществе возникает Электро Движущая Сила - Э.Д.С.



Солнечный элемент (СЭ) или фотоэлектропреобразователь (ФЭП) позволяет превращать энергию оптического излучения непосредственно в электроэнергию, минуя стадии тепловой и механической форм энергии.

Работа СЭ основана на внутреннем фотоэффекте в полупроводниковой структуре с p-n-переходом (гетеропереходом, барьером Шоттки). СЭ наиболее простой конструкции представляет собой кристалл, состоящий из двух слоев различных типов проводимости (электронной - n и дырочной - p) (рисунок ).

Полупроводник n-типа содержит некоторое количество примесных атомов донорного типа, которые при комнатной температуре практически все ионизованы.

Таким образом, в таком полупроводнике имеется n0 свободных равновесных электронов и такое же количество неподвижных положительно заряженных ионов.

В дырочном полупроводнике (полупроводнике p-типа) реализуется схожая ситуация. В нем имеется p0 свободных дырок и столько же отрицательно заряженных ионов.



Рисунок 2. - Образование p-n-перехода

Принцип образования p-n-перехода наглядно продемонстрирован на рисунке 2.

При контакте p- и n-областей в них, вследствие градиента концентраций электронов и дырок, возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. Электроны, перешедшие из n-области в р-область, рекомбинируют с дырками вблизи границы раздела.

Аналогично рекомбинируют дырки, перейдя из р-области в n-область. В результате вблизи p-n-перехода практически не остается свободных носителей заряда (электронов и дырок). Тем самым по обе стороны от p-n-перехода образуется сформированный неподвижными ионами двойной заряженный слой (другие названия - слой обеднения или область пространственного заряда (ОПЗ)). Электрическое поле области пространственного заряда противодействует процессу диффузии основных носителей заряда из областей удаленных от p-n-перехода в обедненную область. Такое состояние является равновесным и при отсутствии внешних возмущений может существовать сколь угодно долго.

Оптическое излучение, поглощаемое в полупроводниковой структуре с p-n-переходом, создает пары “электрон-дырка” при условии, что энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны. Процессу разделения подвергаются носители, генерируемые в обедненной области перехода и прилегающих к ней областях, размеры которых примерно равны диффузионной длине для неосновных носителей. Только с расстояния, меньшего, чем диффузионная длина, неосновной носитель успевает в процессе движения достичь ОПЗ до своей рекомбинации. Неосновные носители, генерируемые в p- и n-областях на большем расстоянии от границы перехода, не попадают в обедненную область вследствие своей рекомбинации. Разделение зарядов, в данном случае встроенным электрическим полем p-n-перехода, есть, по определению, электродвижущая сила (ЭДС). Таким образом, поглощение света полупроводниковой структурой с p-n-переходом приводит к возникновению фото-ЭДС, а при существовании внешней цепи - току в этой цепи.

Возникающий фототок пропорционален количеству электронно-дырочных пар, синтезированных в результате поглощения излучения, которое в свою очередь пропорционально количеству квантов излучения, поглощенных в веществе. Рассмотрим гомогенный p-n-переход, у которого толщины p и n областей составляют n L (диффузионная длина электронов в p-области) и p L (диффузионная длина дырок в n-области), соответственно, отсутствуют отражение от тыльного контакта и поверхностная рекомбинация. В этом случае большинство неосновных носителей, генерированных светом, разделяется полем перехода [4].

Классическим материалом фотовольаики является монокристаллический кремний, однако производство структур на его основе - процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому в последнее время вс? больше внимания уделяется таким материалам, как аморфный кремний (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступает в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Поглощение оптического излучения в аморфном кремнии в два десятка раз более эффективно, чем в кристаллическом. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0.5 - 1.0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операций резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами, изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300 °С) - можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сокращает расход кремния в 20 раз. Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н - 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка - 16 %.

Арсенид галлия - один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:

1)почти идеальная для однопереходных солнечных элементов;

2)ширина запрещенной зоны 1.43 эВ;

3)повышенная способность к поглощению солнечного излучения - требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

4) высокая радиационная стойкость, что, совместно с высокой эффективностью, делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;

5) относительная нечувствительность СЭ на основе GaAs к нагреву; характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе - широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs включает очень тонкий слой AlGaAs в качестве окна. Основной недостаток арсенида галлия - высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках, выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие плёнки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) - 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны - 1.0 эВ). Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. В последние годы исследователям и производителям СЭ удалось расширить свойства CuInSe2 путем создания пятерного соединения Cu(In,Ga)(S,Se)2, в котором атомы индия частично замещены атомами галлия, а атомы селена - атомами серы.

Теллурид кадмия (CdTe) - еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны и очень высокая способность к поглощению излучения. Пл?нки CdTe достаточно д?шевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами. Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе - высокими значениями КПД (от 10 до 16 %) [2].

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы.

Принципы работы органических фотоэлементов Характерной особенностью органических полупроводников является низкая эффективность генерации свободных зарядов при поглощении кванта света, т.к. низшими возбужденными электронными состояниями в органических полупроводниках выступают экситоны -- связанные состояния электронов и дырок. Поэтому для генерации свободных зарядов необходима дополнительная энергия на диссоциацию экситонов Eb (энергия связи), которая находится в диапазоне 0,2--1 эВ для различных органических полупроводников. Эффективной генерации зарядов за счет диссоциации экситонов можно достичь на границе двух органических полупроводников (гетеропереходе), выполняющих функции донора и акцептора.

Органические солнечные батареи отличаются от уже рассмотренных фотохимических источников энергии тем, что в качестве электрода и электролита используются органические соединения. Ими могут быть молекулярные полупроводники (перилен n-типа и фталоцианин р-типа), полупроводниковые полимеры (политиофен р-типа и фуллерен n-типа). В результате поглощения света в органических соединениях не образуется пары "свободный электрон-дырка". Образуется экситон - связанное состояние электрона и дырки. Экситон электронейтрален, поэтому разделение заряда не выполняется. Когда же экситоны диффундируют к границе раздела, происходит диссоциация - электроны затягиваются в n-область, а дырки - в p-область (рисунок 4).[5]

Рисунок 4.

3. Электрохимические методы преобразователи солнечной энергии

фотоэффект энергия гетеропереход

Среди химических способов преобразования солнечной энергии традиционно выделяют фотохимические, фотоэлектрохимические (включая фотоэлектролиз воды на водород и кислород) и фотокаталитические . Существуют и более экзотические направления (электрохимические ), однако их доли ничтожно малы.

Такие разработки относят к сфере научных исследований, а не к производствам в промышленных масштабах.

Среди фотохимических путей преобразования СЭ наиболее значимыми являются следующие:

1) Фотокаталитическое разложение воды под действием относятся как к фотохромному реагенту А и продукту В, так и к параметрам процесса.

А - В + ДН.

Основные требования сводятся следующему: реагент А должен поглощать свет в УФ и видимых частях спектра (400-650 нм), так как более 50% СЕ, достигающей Земли, распределено в области 300-700 нм. Фотоизомер В, наоборот, не должен поглощать в этой области, чтобы избежать фотоинициирования обратной реакции. Во избежание потерь энергии оба компонента должны быть нелюминесцирующими; Обратная реакция должна иметь значительный тепловой эффект (>300 Дж/г); Для длительного сохранения запасённой фотопродуктом В энергии активационный барьер термического перехода В>А должен быть достаточно большим - порядка 100 кДж/моль;

2) Прямая фотохимическая реакция должна характеризоваться высоким квантовым выходом, обратная подвержена каталитическомуускорению или тепловому инициированию; Прямой и обратный процессы должны характеризоваться высокими степенями превращения и отсутствием побочных продуктов; Вещества А и В должны достаточно дешёвыми, доступными, нетоксичными, взрывобезопасными и химически устойчивыми по Термически обратимая реакция фотодимеризации производных антрацена.

Циклические реакции фотораспада - термической рекомбинации свойственны и некоторым неорганическим системам, например фоторазложению нитрозилхлорида:

NOCl > NO + 1/2Cl



Основное преимущество органических систем перед неорганическими связано с возможностью широкого варьирования строения молекул с целью улучшения их спектральных характеристик как аккумуляторов и преобразователей СЭ.

Система норборнадиен - квадрициклан. Исследования, проводимые в последние годы, указывают на перспективность использования систем, для которых характерна фотоинициируемая валентная изомеризация по типу (2р+2р) - циклоприсоединения. В этих реакциях две р - связи преобразуются в две у - связи с образованием циклобутанового производного. Как правило, в подобных системах термодинамическое равновесие полностью смещено в сторону реагента.

Рассмотрим более детально один из наиболее перспективных объектов для такого рода превращений - норборнадиен (бицикло гепта - 2,5 - диен) и его производные. Соединения норборнадиенового ряда могут быть достаточно легко синтезированы по реакции дневного синтеза.

Реагентами для получения норборнадиен производных являются Фотопревращение незамещённого норборнадиена в квадрициклан характеризуется низким квантовым выходом, который, однако, может быть значительно повышен при использовании сенсибилизаторов. Наилучшие результаты получены при использовании солей меди или фенилкетонов.

Однако и в этих системах имеются недостатки: во-первых, они “работают” только в УФ - области спектра; во-вторых, комплексы Cu окисляются до соединений Cu(||), не проявляющих фотоактивности, а кетоны химически взаимодействуют с норборнадиеном при облучении, образуя продукты фотоприсоединения. Эти причины затрудняют практическое использование такого рода сенсибилизаторов.

Глобальная экологическая проблема предъявляет к химико - технологическим процессам всё более жёсткие требования. В этих условиях фотохимические методы, которые позволяют весьма избирательно подводить энергию и использовать её в химических превращениях, могут сыграть важную роль. Свет представляет собой как бы безынерционный химический реагент, не дающий отходов.

Тем не менее в настоящее время фотохимические процессы в крупномасштабном производстве имеют подчинённое значение прежде всего потому, что ещё не решены сложные сопутствующие технические проблемы. Всё сказанное выше в полной мере относится к системе норборнадиен - квадрициклан. Её практическая ценность очевидна.

В некоторых развитых странах уже проводятся разработки малогабаритных экспериментальных установок, работающих на норборнадиене, для обогрева зданий, садовых домиков, теплиц. Однако на пути крупномасштабного использования тепловой энергии, циклов до 10000 и выше, повышение квантового выхода и конверсии норборнадиена в каждом цикле, а также удешевление синтеза производных норборнадиена, обладающих подходящими спектральными характеристиками. Тем не менее создание малогабаритных установок может быть оправданно и сегодня - для солнечных регионов, удалённых от других источников энергии, для искусственных спутников.[6]

Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок - ~11 %. Основа солнечных элементов данного типа - широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя. Возможно в качестве активного вещества использовать молекулы красителя. Они адсорбируются на поверхности TiO2 стержня, который не поглощает солнечное излучение из-за слишком большой ширины запрещенной зоны: более 3 эВ . Возникает возбужденное состояние молекул красителя, электроны переходят в TiO2, а в красителе остаются дырки.

Таким образом осуществляется необходимое для работы батареи разделение зарядов. Изначально, в возбужденном красителе электрон и дырка находятся в экситонном состоянии и реализовать разделение заряда невозможно. Только при диссоциации (при погруженном в раствор электролита электроде) происходит пространственное разделение зарядов и течет электрический ток. Электроны, вернувшись во второй электрод (обычно металл), диффундируют в раствор неводного электролита и восстанавливают молекулы красителя. Помимо того, что фотоэлектрохимические устройства могут быть источниками электрической энергии, они могут ее и хранить.

Сенсибилизированные красителем солнечные батареи -- фотоэлектрохимические ячейки, в которых используются фоточувствительные мезопористые оксидныеполупроводники с широкой запрещённой зоной. Эти ячейки изобретены в 1991 году М. Гретцелем (Michael Graetzel) и др.1), по имени которого и получили названиеячеек Гретцеля.

Солнечные батареи этого типа многообещающи, поскольку изготавливаются из дешёвых материалов и не требуют сложной аппаратуры при производстве. Ячейки имеют простую структуру, состоят из двух электродов и иодсодержащего электролита. Один электрод состоит из высокопористого насыщенного красителем диоксида титана(TiO2), нанесённого на прозрачную электропроводящую подложку. Другим электродом является просто прозрачная электропроводящая подложка. Работа ячейки часто сравнивается с фотосинтезом, поскольку оба процесса используют окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите. Эффективность преобразования энергии в ячейке ещё не достигла уровня кремниевых солнечных батарей. В настоящее время она составляет около 10 %. Теоретически возможно достичь уровня в 33 %.

Солнечный свет поступает сквозь электропроводящий стеклянный электрод, насыщенный красителем, где поглощается. Когда краситель поглощает свет, один изэлектронов его молекулы переходит из основного состояния в возбуждённое состояние. Это явление называется «фотовозбуждение». Возбуждённый электрон перемещается от красителя в зону проводимости TiO2. Переход происходит очень быстро; он занимает только 10?15секунды. В TiO2 электрон диффундирует через TiO2-плёнку, достигает стеклянного электрода и далее по проводнику стекает во второй электрод. Молекула красителя с потерей электрона окисляется. Восстановление молекулы красителя в первоначальное состояние происходит путём получение электрона от иодид-иона, превращая его в молекулу иода, которая в свою очередь диффундирует к противоположному электроду, получает от него электрон и снова становится иодид-ионом. По такому принципу цветосенсибилизированная солнечная батарея преобразует солнечную энергию в электрический ток, протекающий по внешнему проводнику.

Благодаря уникальной способности к фотосинтезу, растения преобразуют энергию солнца в энергию химических связей, делая ее доступной для дальнейшего использования. Ученые всего мира пытаются искусственно воспроизвести процесс фотосинтеза и тем самым овладеть принципиально новым источником энергии.

Если бы растения, в т.ч. водоросли, и некоторые бактерии не обладали способностью к фотосинтезу, жизнь других живых существ на нашей планете была бы невозможна. Это единственные организмы, которые, используя энергию солнечного света, могут синтезировать органические соединения из неорганических веществ и воды.

Фотосинтез растений служит также источником кислорода. И даже основные используемые энергоресурсы (уголь, нефть) имеют фотосинтетическое происхождение.

Фотосинтез включает две стадии -- световую, в ходе которой образуются высокоэнергетические вещества и происходит фотолиз, то есть расщепление воды под действием света с выделением протонов водорода и молекул кислорода.

И темновую, во время которой с использованием запасов энергии, накопленной на первой стадии, синтезируются органические вещества (сахар).

Уловить энергию солнца клеткам зеленых растений позволяет комплекс светочувствительных пигментов (хлорофиллов и каротиноидов), расположенный в специальном органоиде -- хлоропласте. Пигменты хранятся в мембране хлоропласта, «упакованные» на манер воронки. В центре «воронки» расположен главный энегопреобразующий комплекс фотосинтеза -- реакционный центр. Именно он способен уловить квант света и преобразовать его энергию в химическую, а остальные молекулы помогают ему, выполняя роль светособирающих антенн.

На самом деле в процессе фотосинтеза участвуют две фотосистемы («воронки») -- фотосистема I (ФС I) и фотосистема II (ФС II), отличающиеся своими функциями. Когда ФC I улавливает квант света, ее электроны переходят в возбужденное состояние, покидают молекулу и начинают свое путешествие по электронтранспортной цепи, которое завершается синтезом высокоэнергетического вещества НАДФ•H2.

У ФС II -- другая работа. Она, уловив квант света, «отпускает» свои электроны, которые, также пройдя по цепи, «латают» образовавшуюся электронную дырку первой фотосистемы и отдают энергию для синтеза другого высокоэнергетического вещества -- АТФ. Сама же ФС II восстанавливается за счет электронов, образующихся в результате фотолиза воды.

Используя полученные АТФ и НАДФ•H2, хлоропласт может приступать к синтезу сахара. Этот процесс называют темновой стадией фотосинтеза (хотя происходить она может хоть в темноте, хоть на свету). «Сырьем» для синтеза служит углекислый газ.

Таким образом, растение, обеспечивая себя органическими веществами, параллельно освобождает атмосферу от излишков двуокиси углерода и выделяет как побочный продукт кислород, такой ценный для дыхания живых организмов.

Строение хлоропласта

«Фотосинтез куда эффективнее любых современных способов выработки энергии, -- говорит Сулейман Аллахвердиев, к.ф.-м.н., д.б.н., заведующий лабораторией управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений РАН, главный научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН, -- При светозависимой стадии фотосинтеза коэффициент преобразования света равен 95 %, в то время как в солнечных батареях этот показатель -- всего 15 %, квантовый выход превращения поглощенного фотона солнечной энергии в энергию разделенных зарядов при фотосинтезе составляет 100 %».

Искусственно воспроизвести фотосинтез или, по крайней мере, отдельные его этапы -- задача более чем амбициозная. Ее решение могло бы снять множество энергетических проблем будущего.

Исследователи уверены, что открытие подобного рода позволит получать водород или напрямую преобразовывать энергию солнечного света в электрическую. Возможно, с помощью воссоздания природного процесса удастся синтезировать органическое топливо. Посмотрим, каких результатов удалось достичь ученым на сегодняшний день.

Как отмечают эксперты, поток научной литературы по вопросам искусственного фотосинтеза нарастает лавинообразно. Сообщениями об «электричестве, полученном с помощью фотосинтеза» в последние годы пестрят и популярные издания.

Однако о том, чтобы воспроизвести процесс целиком, речь пока не идет. Слишком сложен замысел природы, чтобы повторить его в точности. И одна из главных проблем -- нестабильность работы искусственных систем.

Panasonic пытается имитировать фотосинтез с целью получения автомобильного топлива

Поиски способов получения энергии с помощью искусственного фотосинтеза идут уже не один десяток лет.

Стоит ли ждать, что в обозримом будущем существующие прототипы выйдут за пределы лабораторий и станут рабочими устройствами, несущими в наши дома свет?

«Перспективы коммерциализации технологии, безусловно, есть, -- уверен Геннадий Комиссаров. -- Вопрос в том, насколько они отдалены. Как мне представляется, все будет определяться финансированием. Нобелевский лауреат М.Кальвин еще в 1972 г. отмечал, что в будущем «мы получим электричество непосредственно из растительных источников, не ожидая в течение миллионов лет, пока они превратятся в уголь и нефть».

Практических результатов, на мой взгляд, можно ожидать в сравнительно короткие сроки.

Уже в ближайшие 10 лет будут созданы фотоэлектрохимические батареи, предназначенные для индивидуальных потребителей -- устройства для снабжения электричеством загородных домов. Создание таких батарей для промышленных целей потребует большего времени.

Сейчас ускоренными темпами идет поиск батарей на гибкой полимерной основе, синтезируются новые типы красителей, обладающие высокой стабильностью и светопоглощением.

При этом главное преимущество фотовольтаических батарей на органических пигментах по сравнению с кремниевыми -- их низкая стоимость».

Сулейман Аллахвердиев отмечает, что и в России, и за рубежом в последние годы достигнуты существенные успехи на пути создания искусственных фотосистем.

Он, как и многие ученые во всем мире, верит в написанное более 130 лет назад классиком приключенческой литературы Жюлем Верном:

«Я верю, что наступит такое время, когда вода будет использоваться в качестве топлива, потому что водород и кислород, которые входят в состав молекулы воды, используемые отдельно или вместе, будут служить в качестве неисчерпаемого источника тепла и света. Поэтому я верю в то, что в тот момент, когда запасы каменного угля будут полностью исчерпаны, мы будем обогревать себя с помощью воды. Вода, таким образом, будет служить в качестве «каменного угля» будущего» (1875 г.).

Сегодня исчерпаемость запасов ископаемого топлива воспринимается как куда более близкая перспектива, чем во времена Ж. Верна. Да и проблемы энергетической безопасности делают тему поиска альтернативных, экологически чистых источников энергии все более востребованной.

Возможно, разгадка одной из главных тайн природы, сделавшей в свое время возможной жизнь на поверхности Земли, поможет человечеству ненадолго продлить свое мимолетное по геологическим меркам существование, обеспечив себя чистой и дешевой энергией фотосинтеза [9].



Заключение

Приведенные данные позволяют сделать два вывода. Во-первых, концепция объемного гетероперехода оказалась наиболее эффективным подходом для разработки органических и гибридных СФЭ с высоким кпд. Основная задача теперь состоит в увеличении кпд и срока службы солнечных фотоэлементов, для чего требуются новые высокостабильные донорные и акцепторные материалы с подвижностью зарядов не менее 10-4 см2 /В*с и сильным оптическим поглощением в видимом спектральном диапазоне. Необходима также оптимальная разность энергий граничных молекулярных орбиталей материалов донора и акцептора (около 0,5 эВ).

Кроме того, такие материалы должны образовывать объемный гетеропереход с характерным масштабом разделения фаз донора и акцептора в десятки нанометров.

Разработка таких материалов и оптимизация имеющихся позволит достичь кпд органических и гибридных СФЭ с одним гетеропереходом выше 10% [30, 34]. Вследствие сравнительно небольшой себестоимости СФЭ данного типа по сравнению с традиционными неорганическими полупроводниками, при успешном решении поставленных вопросов, использование СФЭ на основе органичских и гибридных материалов станет вполне конкурентоспособным.

Во-вторых, разработка новых и оптимизация уже существующих фотокатализаторов, активных в видимой и ближней ИК областях спектра, позволит создать новые системы эффективной очистки воды и воздуха, загрязненных токсичными органическими соединениями и различными микроорганизмами. [8].



Список использованных источников

1.http://www.chem.msu.su/rus/jvho/2008-6/107.pdf

2.Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения Ташкент: Фан 1988 г

3.http://www.physics.by/e107_files/mono/monograf_gremenok_pdf/gr_gl2.pdf

4.Андреев С.В. Солнечные электростанции- М.:Наука 2002

5.http://window.edu.ru/resource/259/21259/files/9808_058.pdf

6.http://www.solarroof.ru/theory/28/104/

7.http://www.nanometer.ru/2010/09/02/solnechnaa_energetika_217136.html

8.Рубан С.С. Нетрадиционные источники энергии-М.:Энергия, 2003

Размещено на Allbest.ru

...