Table Of ContentНЦИКЛОПЕДИЯ
СОВРЕМЕННОЕ
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
tt>
55
СОВРЕМЕННЫЕ
•Л
ТЕХНОЛОГИИ
МАГИСТР-ПРЕСС
унклопедт
Цементе
стестШнаиие
ISSEP
МЕЖДУНАРОДНАЯ СОРОСОВСКАЯ ПРОГРАММА ОБРАЗОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ТОЧНЫХ НАУК
«Энциклопедия
СОВРЕМЕННОЕ
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
В десяти томах
МАТЕМАТИКА. МЕХАНИКА
ФИЗИКА ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ
ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД
ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. АСТРОФИЗИКА
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
ОБЩАЯ ХИМИЯ
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
МОСКВА
Издательский Дом
МАГИСТР-ПРЕСС
ISSEP
МЕЖДУНАРОДНАЯ СОРОСОВСКАЯ ПРОГРАММА ОБРАЗОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ТОЧНЫХ НАУК
э
нциклопедия
СОВРЕМЕННОЕ
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
Том 10
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Главный редактор энциклопедии
В.Н. СОЙФЕР
Редакторы тома
С.Д. ВАРФОЛОМЕЕВ, РН. КУЗЬМИН, Г.В. ЛИСИЧКИН
Допущено Департаментом общего среднего образования
Министерства образования России
МОСКВА
Издательский Дом
МАГИСТР-ПРЕСС
2001
УДК 53+54+57(03)
ББК 22.3, 35.0, 30.16
С 56
ТХи 658-937
Библиотеки
Конгресса США
Редактор энциклопедии Ю.А. Пашковский
Современное естествознание: Энциклопедия: В 10 т. - М.: Издательский Дом
МАГИСТР-ПРЕСС, 2001. - Т. 10. - Современные технологии. - 272 с: ил.
ISBN 5-89317-142-Х (т. 10)
ISBN 5-89317-132-2
Энциклопедия «Современное естествознание» подготовлена к печати Министерством образования
Российской Федерации и Международной Соросовской Программой Образования в Области Точных Наук.
Энциклопедия знакомит читателей с достижениями в области математики, физики, химии, биологии и наук о
Земле за последнюю четверть века. Статьи написаны выдающимися учеными и преподавателями высшей
школы, большинство из которых - соросовские лауреаты. Энциклопедия рассчитана на преподавателей средних
школ, учеников старших классов, студентов и аспирантов вузов, а также на широкий круг читателей,
интересующихся естественными науками, и распространяется бесплатно по библиотекам средних школ и
высших учебных заведений России.
Издание осуществлено на средства Правительства Российской Федерации.
Copyright under International Copyright Union
All rights reserved under Universal Copyright Convention
by International Soros Science Education Program
Никакая часть данного издания не может быть воспроизведена или использована в любой форме
и любыми средствами - электронными или печатными, включая фотокопирование, ксерокопирование,
с помощью компьютерной записи и путем другого электронного воспроизведения, или любыми другими
способами хранения и распространения информации - без письменного разрешения издателя.
Налоговая льгота — общероссийский классификатор продукции
ОК-005-93, том 3; 953000 — книги, брошюры
Подписано в печать 26.12.2000 г. Формат 60x90/8. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 34,0. Уч.-изд. л. 20,56. Тираж 5500 экз. Заказ № 6447.
ИД №01537 от 14.04.2000 г.
119034, Москва, ул. Остоженка, д. 7/15, офис 16.
Scan AAW
Оригинал-макет тома предоставлен издательством «Флинта».
Отпечатано с готовых диапозитивов в АООТ «Тверской полиграфический комбинат»
170024, г. Тверь, пр-т Ленина, 5.
ш
ISBN 5-89317-U2-X
9"785893"171426
ISBN 5-89317-142-Х (т. 10) ) Международная Соросовская Программа
ISBN 5-89317-132-2 Образования в Области Точных Наук, 2001
Издательский Дом МАГИСТР-ПРЕСС, 2001
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
Ф И З И Ч Е С К ИЕ ТЕХНОЛОГИИ
В.М. Андреев
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Быстрый рост потребления энергии явля океана, ветровой и геотермальной энергии —
ется одной из наиболее характерных особен препятствует либо их ограниченный потенци
ностей технической деятельности человечества ал, либо возможности современной техники.
во второй половине XX века. Развитие энер Суммарный потенциал большинства возобнов
гетики до недавнего времени не встречало ляемых источников энергии позволит увели
принципиальных трудностей. Увеличение про чить потребление энергии с нынешнего уровня
изводства энергии происходило в основном за всего лишь на порядок. Но существует еще
счет увеличения добычи нефти и газа, удобных один источник энергии — Солнце. Солнце —
в потреблении. Однако энергетика оказалась звезда спектрального класса 2, желтый карлик,
первой крупной отраслью мировой экономики, очень средняя звезда по всем своим основным
которая столкнулась с ситуацией истощения параметрам: массе, радиусу, температуре. Но
своей традиционной сырьевой базы. В начале эта звезда имеет одну уникальную особен
70-х годов во многих странах разразился ность — это "наша звезда", и человечество
энергетический кризис. Одной из причин этого обязано ей всем своим существованием. Наше
кризиса явилась ограниченность ископаемых светило поставляет Земле мощность около
энергетических ресурсов. Кроме того, нефть, 1017 Вт и постоянно освещает обращенную
газ и уголь являются ценнейшим сырьем к Солнцу сторону нашей планеты диаметром
для интенсивно развивающейся химической 12,7 тыс. км. Интенсивность солнечного света на
промышленности. Поэтому сейчас все труднее уровне моря в южных широтах, когда Солнце
сохранять высокий темп развития энергетики в зените, составляет 1 кВт/м2. При разработке
путем использования лишь традиционных высокоэффективных методов преобразования
ископаемых источников энергии. солнечной энергии Солнце может обеспечить
Атомная энергетика в последнее время бурно растущие потребности в энергии в
также столкнулась со значительными труд течение многих сотен лет.
ностями, связанными, в первую очередь, с Доводы противников крупномасштабного
необходимостью резкого увеличения затрат использования солнечной энергии сводятся в
на обеспечение безопасности работы атомных основном к следующим аргументам:
электростанций. 1. Удельная мощность солнечной радиации
Загрязнение окружаюшей среды продук мала, и для крупномасштабного преобразо
тами сгорания ископаемых энергоресурсов, в вания солнечной энергии необходимы очень
первую очередь угля и ядерного топлива, большие площади.
является причиной ухудшения экологической 2. Преобразование солнечной энергии
обстановки на Земле. Существенным является очень дорого: материальные и трудовые за
также и "тепловое загрязнение" планеты, траты для его осуществления практически
происходяшее при сжигании любого вида топ нереальны.
лива. Допустимый верхний предел выработки Действительно, как велика будет площадь
энергии на Земле, по оценкам ряда ученых, земной поверхности, покрытой преобразова
всего на два порядка выше нынешнего среднего тельными системами для производства замет
мирового уровня. Такой рост энергопотребле ной в мировом энергетическом бюджете доли
ния может привести к увеличению приземной электроэнергии? Очевидно, что эта площадь
температуры воздуха примерно на один градус. зависит от эффективности используемых пре
Нарушение энергобаланса планеты в таких образовательных систем. Для оценки эффек
масштабах может вызвать опасные необрати тивности фотоэлектрических преобразовате
мые изменения климата. лей, осуществляющих прямое преобразование
Эти обстоятельства определяют возрастаю солнечной энергии в электрическую с помошью
щую роль возобновляемых источников энергии, полупроводниковых фотоэлементов, введем
широкое использование которых не приведет к понятие коэффициента полезного действия
нарушению экологического баланса Земли. (КПД) фотоэлемента, определяемого как отно
шение мощности электроэнергии, вырабатыва
емой данным элементом, к мощности падаю
Преобразование солнечной энергии —
щего на поверхность фотоэлемента солнечного
перспективный путь развития
излучения. Так, при КПД солнечных преоб
энергетики разователей, равном 10 % (типичные значения
КПД кремниевых фотоэлементов для нужд
Широкому использованию большинства наземной энергетики), для производства 1012 Вт
возобновляемых видов энергии: гидроэнергии, электроэнергии потребовалось бы покрыть
механической и тепловой энергии Мирового фотопреобразователями площадь 4-1010м2,
8 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
(это квадрат со стороной 200 км). При этом контакте с поглотителем, нагревается и при
интенсивность солнечной радиации принята помощи насоса или естественной циркуляции
равной 250 Вт/м2, что соответствует типичному отводится от него. Затем нагретая жидкость
среднему значению в течение года для южных поступает в хранилище, откуда ее потребляют
широт. Следовательно, "низкая плотность" по мере необходимости. Подобное устройство
солнечной радиации не является препятствием напоминает системы бытового горячего водо
для развития крупномасштабной солнечной снабжения.
энергетики. Электроэнергия наиболее удобна для ис
Поэтому проблему преобразования сол пользования и передачи. Поэтому понятен
нечной энергии необходимо решать сегодня. интерес исследователей к разработке и со
Можно, хотя бы в шутку, рассматривать зданию солнечных электростанций, исполь
эту проблему в рамках решения задач по зующих промежуточное преобразование сол
управляемому термоядерному синтезу, когда нечной энергии в тепло с последующим его
эффективный реактор (Солнце) создан самой преобразованием в электроэнергию.
природой и обеспечивает ресурс надежной и В мире наиболее распространены солнеч
безопасной работы на многие миллионы лет, а ные тепловые электростанции двух типов:
наша задача заключается лишь в разработке 1) башенные (рис. 1) с концентрацией сол
наземной преобразовательной подстанции. В нечной энергии, осуществляемой с помощью
мире проведены широкие исследования в обла большого количества плоских зеркал, на одном
сти солнечной энергетики, которые показали, гелиоприемнике; 2) рассредоточенные систе
что уже в близкайшее время этот метод мы из параболоидов и пара бол о цилиндров, в
получения энергии может стать экономически фокусе которых размещены тепловые прием
оправданным и найти широкое применение. ники и преобразователи малой мощности.
Россия богата природными ресурсами.
Мы имеем значительные запасы ископаемого
топлива — угля, нефти, газа. Однако ис
пользование солнечной энергии имеет и для Солнце
нашей страны большое значение. Несмотря
на то что значительная часть территории
России лежит в высоких широтах, некоторые Преобразователь
обширные южные районы нашей страны по концентрированной
солнечной энергии
своему климату весьма благоприятны для
в электрическую
широкого использования солнечной энергии.
Еще большие перспективы имеет использо
вание солнечной энергии в странах, рас
положенных вблизи экваториального пояса
Земли. Так, в ряде районов Центральной
Азии продолжительность прямого солнечного
облучения достигает 3000 часов в год, а годовой
приход солнечной энергии на горизонтальную
Подвижные
поверхность составляет 1500-1850 кВт • ч/м2.
зеркала
Главными направлениями работ в области
преобразования солнечной энергии в настоя
щее время являются
— прямой тепловой нагрев и термодина
Рис. 1. Солнечная энергетическая установка башенного
мическое преобразование солнечной энергии в
типа
электрическую;
— фотоэлектрическое преобразование
Фотоэлектрическое преобразование
солнечной энергии.
Прямой тепловой нагрев является наиболее солнечной энергии
простым методом преобразования солнечной
энергии и широко используется в установ Важный вклад в понимание механизма
ках солнечного отопления, снабжения горячей действия фотоэффекта в полупроводниках
водой, охлаждения зданий, опреснения воды внес академик А.Ф. Иоффе. Он думал над при
и т. п. Одной из наиболее развитых обла менением полупроводниковых фотоэлементов
стей применения солнечной энергии является в солнечной энергетике уже в 30-е годы, когда
горячее водоснабжение. Основой солнечных Б.Т. Коломиец и Ю.П. Маслаковец создали
теплоиспользующих установок являются плос серно-таллиевые фотоэлементы с рекордным
кие солнечные коллекторы — поглотители для того времени КПД — 1 %.
солнечного излучения. Разработан ряд кон Широкое использование солнечных ба
струкций коллекторов нагревателей на основе тарей в энергетике началось с запуском
алюминиевых, стальных и пластмассовых па в 1958 году искусственных спутников Зем
нелей. Вода или другая жидкость, находясь в ли — советского "Спутник-3" и американского
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ 9
"Авангард-1". С этого времени полупроводни процессов, действующих в противоположные
ковые солнечные батареи являются основным стороны (диффузии и движения носителей тока
и почти единственным источником энерго в электрическом поле), устанавливается ста
снабжения космических аппаратов и больших ционарное, равновесное состояние: на границе
орбитальных станций типа "Салют" и "Мир". возникает заряженный слой, препятствующий
Большой задел, полученный учеными в области уходу электронов из л-полупроводника, а
солнечных батарей космического назначения, дырок из р-полупроводника. Другими словами,
позволил развернуть и работы по наземной вобластир—«.-перехода возникает энергетиче
фотоэлектрической энергетике. ский (потенциальный) барьер, для преодоления
Основу фотоэлементов составляет полу которого электроны из ^.-полупроводника и
проводниковая структура с р—7?.-переходом дырки из р-пол у проводника должны затратить
(рис. 2), возникающим на границе двух по определенную энергию. Не останавливаясь на
лупроводников с различными механизмами описании электрических характеристик р—п-
проводимости. перехода, который широко используется в
выпрямителях, транзисторах и других полу
проводниковых приборах, рассмотрим работу
р—п-перехода в фотоэлементах.
При поглощении света в полупроводнике
возбуждаются электронно-дырочные пары. В
однородном полупроводнике фотовозбуждение
увеличивает только энергию электронов и
дырок, не разделяя их в пространстве, то есть
электроны и дырки разделяются в "простран
стве энергий", но остаются рядом в геометриче
ском пространстве. Для разделения носителей
тока и появления фотоэлектродвижущей силы
(фотоЭДС) должна существовать дополнитель
Рис. 2. Схема работы солнечного фотоэлемента ная сила. Наиболее эффективное разделение
неравновесных носителей имеет место именно
Эта терминология берет свое начало от в области р—n-перехода (рис. 2). Генериро
английских слов positive (положительный) и ванные вблизи р—n-перехода "неосновные"
negative (отрицательный). Получают различ носители (дырки в «-полупроводнике и элек
ные типы проводимости с использованием троны в р-полупроводнике) диффундируют к
различных примесей. Так, например, атомы III р—?г-переходу, подхватываются полем р—п-
группы Периодической системы Д.И. Менде перехода и выбрасываются в полупроводник, в
леева, введенные в кристаллическую решет котором они становятся основными носителя
ку кремния, придают последнему дырочную ми: электроны локализуются в полупроводнике
(положительную) проводимость, а примеси n-типа, а дырки — в полупроводнике р-типа.
IV группы — электронную (отрицательную), В результате полупроводник р-типа получает
Контакт р- и n-полупроводников приводит к избыточный положительный заряд, а полупро
образованию между ними контактного электри водник л-типа — отрицательный. Между п- и
ческого поля. р-областями фотоэлемента возникает разность
Поясним причину возникновения контакт потенциалов — фотоЭДС. Полярность фотоЭДС
ной разности потенциалов. При соединении соответствует "прямому" смещению р—п-
в одном монокристалле полупроводников р- перехода, которое понижает высоту барьера
и n-типа возникает диффузионный поток и способствует инжекции дырок из р-области
электронов из полупроводника ?»-тила в по в п-область и электронов из n-области в р-
лупроводник р-типа и, наоборот, поток дырок область. В результате действия этих двух
из р- в n-полупроводник. В результате такого противоположных механизмов — накопления
процесса прилегаюшая к р—n-переходу часть носителей тока под действием света и их от
полупроводника р-типа будет заряжаться от тока из-за понижения высоты потенциального
рицательно, а прилегаюшая к р—гс-переходу барьера — при разной интенсивности света
часть полупроводника n-типа, наоборот, при устанавливается разная величина фотоЭДС.
обретет положительный заряд. Таким образом, При этом фотоЭДС в широком диапазоне осве-
вблизи р—п-перехода образуется двойной щенностей растет пропорционально логарифму
заряженный слой, который противодействует интенсивности света. При очень большой
процессу диффузии электронов и дырок. Дей интенсивности света, когда потенциальный
ствительно, диффузия стремится создать поток барьер оказывается практически нулевым,
электронов из ?!.-области в р-область, а поле фотоЭДС выходит на "насыщение" и стано
заряженного слоя, наоборот — вернуть элек вится равной высоте барьера на неосвещенном
троны в ?г-область. Аналогичным образом поле р—гс-переходе. При засветке же прямым, а
в р—н-переходе противодействует диффузии также сконцентрированным до 100-1000 раз
дырок из р- в n-область. В результате двух солнечным излучением, величина фотоЭДС
