Солнечный элемент химический: Солнечный элемент

Солнечные элементы • Ваш Солнечный Дом

• 1
  Типы солнечных элементов

• 2
  Размеры фотоэлектрических элементов

• 3
  Пиковый ватт

• 4
  Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей

• 5
  Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами

Структура солнечного элемента

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, который является диоксидом кремния (SiO₂), также известного под именем «кварцит». Другая область применения кремния — электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Структура солнечного элемента из кремния 1. свет (фотоны)   2. лицевой контакт  3. отрицательный слой 4. переходной слой  5. положительный слой  6. задний контакт

Прежде всего , в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок. Различают солнечные элементы с переходом p- и n-типа. Первые дешевле и более распространены в настоящее время. Вторые немного дороже, но имеют большую эффективность, и применяются в  солнечных элементах нового типа (например, PERC)

Типы солнечных элементов

Кремниевые солнечные элементы могут быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Есть также гетероструктурные элементы, которые совмещают в себе кристаллический и аморфный солнечные элементы (см. ниже). Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют КПД выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются. Технологии их производства постоянно развиваются, за последнее десятилетие КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза. Одной из последних технологий солнечных модулей из аморфного кремния являются тандемные солнечные модули, которые имеют повышенных КПД.

Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим. Так как кристаллы и аморфный кремний наиболее эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента. В России такие солнечные элементы выпускает завод Хевел.

Производителя солнечных элементов постоянно усовершенствуют их, что приводит к повышению их КПД и выработки электроэнергии на пиковый ватт. Современные технологии солнечных элементов и модулей описаны в нашей статье «Современные солнечные элементы и модули«. Сейчас применяются  PERC, HJT, IBC, Bi-facial, TopCon и другие новые многообещающие технологии для кристаллических кремниевых элементов, которые позволили достичь КПД в солнечном элементе 25 и более процентов (см. карту КПД СЭ справа).

На рисунке приведен график изменения КПД солнечных элементов за последние десятилетия. Как видим, в лабораториях уже получены результаты, приближающиеся к 45%. Конечно, до массового коммерческого использования такие технологии дойдут еще не скоро, но работа по удешевлению изготовления солнечных элементов постоянно ведется во всем мире. Как видно, максимальный КПД получают на многопереходных элементах и концентрированном освещении.

Размеры фотоэлектрических элементов

Тенденция при производстве солнечных элементов — это увеличение их размера. Большие пластины позволяют снизить удельную стоимость пикового ватта солнечного элемента. В настоящее время применяются в основном пластины размером 156 и более мм.

Первые модули мощностью 48 Вт появились в 1983 году, в них использовалось 36 ячеек размером 100 х 100 мм. После этого использовалось много ячеек с разными размерами, начиная с 100 х 100 мм, этот размер ячеек был доступен на рынке примерно до 1996 года. Другие размеры, такие как 125 х 125 мм, затем стали стандартными размерами на многие годы. Затем пластина размером 156 мм стала стандартом на более, чем 10 лет. Тогда для модуля размером 156 мм был определен термин «размер пластины M0». Позже этот размер был постепенно заменен на 156,75-мм (M2). Без увеличения габаритов модулей на 60 ячеек, пластины M2 могут увеличить мощность модуля более, чем на 5 Вт, что является значительным повышением конкурентоспособной стоимости, поэтому они стали основным размером и сохраняли этот статус в течение нескольких лет. Массовое производство пластин 156,75 мм началось в 2016 году. Согласно исследованию ITRPV, опубликованному в 2019 году, ожидается, что старый 6-дюймовый формат (156 мм x 156 мм), полностью исчезнет с рынка к концу 2019 года. Затем размер снова был увеличен на 2 мм до общего размера 158,75 мм (M3/G1), а пластина M4 — до 161,7 мм. M4 в основном использовалась для двусторонних модулей n-типа. В конце концов, на рынок был выпущен еще один вариант — M6. M6 имеет размер пластины 166 мм, что дает размер модуля 1776 x 1052 мм для варианта с полуячейками. В 2020 году массово появились размеры M12 и даже M12+. Площадь таких элементов в мм2 приведена на рисунке ниже.

Мощность солнечного элемента и мощность солнечного модуля на основе пластин различного размера

Размер пластины	Мощность элемента (Вт) при КПД 22.5%	Мощность модуля из 60 элементов, Вт	Мощность модуля из 120 полуэлементов, Вт
M12	9. 92	583	601
M10	9.00	529	545
M9	8.29	488	502
M6	6.17	363	374
G1	5.67	333	343
M4	5.81	342	352
M2	5.50	323	333

Снижение стоимости производства при увеличении размера солнечного элемента Источник

Пиковый ватт

Солнечный элемент производит электричество когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м²), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет. Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:
— освещенность 1000 Вт/м²
— солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света)
— температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

Так как в реальных условиях работы такие параметры практически недостижимы, в последнее время все больше производителей указывают параметры модуля в так называемых «нормальных условиях» (NOCT), т. е. при температуре модуля 40-45 градусов и освещенности 800 Вт/м². Тем не менее, NOCT также не отражает реальную мощность модуля, так как во время работы солнечной батареи освещенность может быть даже выше 1000 Вт/м², а температура существенно ниже 45С.

Пример:

Большинство панелей с площадью 1 квадратный метр имеют номинальную мощность около 120-150 Вт_пик
(уточнение: если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов).

Ни NOCT, ни тем более STC мощности не позволяют определить, сколько именно энергии будет вырабатывать солнечная панель в реальных условиях. Для того, чтобы иметь более точное представление о производительности солнечного модуля, в мире делаются попытки ввести новые, дополнительные, показатели эффективности солнечных панелей. Одним из таких дополнительных параметров является PTC, с помощью которого можно более реально определить, сколько энергии можно ожидать от того или иного модуля. На настоящий момент PTC, наряду с NOCT, являются показателями, по которым можно проводить сравнение различных фотоэлектрических модулей. Подробнее о PTC…

Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей

Тонкопленочные солнечные элементы бывают обычно 4 основных типов:

1. из аморфного кремния (a-Si) или тонкопленочного кремния (TF-Si)
2. из теллурида кадмия (Cd-Te)
3. из деселенида галлия-меди-индия copper indium gallium deselenide (CIS or CIGS)
4. из синтетических (dye-sensitized solar cell) материалов с органическими добавками.

Тонкопленочные модули из аморфного кремния. В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов. Поэтому у аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния и он может быть нанесен практически на любую поверхность — стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем — около 6%. Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна.

CSG (Crystalline Silicon on Glass) выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими. Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (тогда как толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300мкм). Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%.

CdTe модули (кадмий-теллуровые). Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 18%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке, и производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули.

CIS модули. Основные ингредиенты CIS модулей — медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 16-18% в модуле).

В Южной Корее была разработана принципиально новая технология тонкопленочных модулей, что может значительно способствовать массовому их распространению за счет удешевления и увеличения энергоемкости. В новых солнечных элементах присутствуют 3 цветных слоя на базе наногранул из диоксида титана. Благодаря количеству слоев новые солнечные элементы могут собирать видимый свет в трех наиболее активных длинах – красной, синей и зеленой. В результате, солнечный элемент производит электроэнергии почти в 3 раза больше, чем обыкновенные фотоэлектрические панели. 

Еще одним преимуществом таких элементов является их высокая светопропускаемость, поэтому их можно располагать на крышах и окнах жилых домов. Для создания этих элементов использовался метод хроматографии и совсем не использовался кремний, что делает производство недорогим и не зависящим от исчерпаемых природных ресурсов. Толщина готовой пленки составляет всего 20 нанометров, она способна производить до 30 миллиампер электричества с каждого квадратного сантиметра. Ее КПД составляет около 17-18%.

Тонкопленочные солнечные модули состоят из примерно 6 слоев. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, затем идут полупроводники P и N типа, затем контактный слой и подложка. Принцип работы тонкопленочных солнечных элементов тот же самый, что и у кристаллических солнечных элементов.

Ниже приведены основные особенности и отличия в применении тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей.

Тонкопленочные модули в общем случае должны быть дешевле кристаллических за счет меньшего расхода кремния и более простой технологии изготовления. Однако на практике разница в цене не очень большая, так как в последние годы цена на кристаллические солнечные модули сильно снизилась. Эффективность обеих технологий быстро растет, а различие в цене уменьшается. Более того, тонкопленочные модули обычно выполняются с использованием 2 слоев стекла, поэтому они могут быть даже дороже поликристаллических модулей той же мощности. Двойное стекло также делает тонкопленочные модули тяжелее кристаллических модулей, в которых стекло только с лицевой стороны, а с тыльной — PVC пленка (это не относится к новым double glass кристаллическим солнечным модулям).

Есть другой тип тонкопленочных солнечных модулей, в которых полупроводниковый слой нанесен на гибкую основу. Такие модули — легкие и их можно изгибать. Обычно такие модули используются в переносных системах или на кровлях со сложной формой.

Для конечных потребителей и установщиков важно рассмотреть некоторые важные особенности, которые имеют место при проектировании солнечной электростанции на основе различных типов солнечных элементов. На основе этой информации проектировщик может решить, какую технологию солнечных элементов — тонкопленочную или кристаллическую — лучше использовать в конкретном проекте.

В таблице ниже приведено очень короткое сравнение этих двух технологий. При выборе модулей для конкретного проекта необходимо также учитывать много других моментов.

Разновидности технологии	Монокристаллический кремний (c-Si) Поликристаллический кремний(pc-Si/ mc-Si) String Ribbon	Аморфный кремний (a-Si) Теллурид кадмия (CdTe) Copper Indium Gallium Selenide (CIG/ CIGS) Органические фотоэлементы (OPV/ DSC/ DYSC)
Отношение напряжения в рабочей точке к напряжению холостого хода (Vmp/ Voc) (выше — лучше, т.к. меньше разница между Voc и Vmp)	80%-85%	72%-78%
Температурные коэффициенты (низкий температурный коэффициент лучше при работе при высоких температурах окружающей среды)	выше (-0,4-0,5%/градус)	ниже (-0,1-0,2%/градус)
Заполнение вольт-амперной характеристики (идеальный элемент имеет 100% заполнение)	73%-82%	60%-68%
Конструкция модуля	в раме из анодированного алюминия	без рамы, между 2 стеклами — цена ниже, вес больше на гибком основании — легче, дешевле
КПД модуля	13%-19%	4%- 12%
Совместимость с инверторами	Чем меньше температурный коэффициент, тем лучше. Можно использовать бестрансформаторные инверторы	Проектировщик должен учитывать такие факторы, как температурный коэффициент, отношение Voc/Vmp, сопротивление изоляции и т.п. Обычно для тонкопленочных модулей требуется инвертор с гальванической развязкой
Монтажные конструкции	Типовые	Типовые, но может потребоваться специальные зажимы или крепеж. Во многих случаях стоимость установки намного меньше
Соединения постоянного тока	Типовые	Типовые, иногда может потребоваться больше разветвителей и предохранителей
Типовое применение	Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть	Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть
Требуемая площадь	около 150 Вт/м2	может потребоваться до 50% больше площади для той же мощности СБ

Источник: CIVICSolar

Как видно из таблицы, основное отличие кристаллических и тонкопленочных элементов — в их КПД. Также, у кристаллических элементов дольше срок службы. Расходы на установку кристаллических модулей меньше, так как для одной и той же мощности нужно устанавливать примерно в 2 раза меньше по площади модулей. К недостаткам кристаллических модулей можно отнести высокую стоимость исходного материала (кристаллического кремния), его хрупкость.

Установка тонкоплёночных модулей на гибкой основе требует определённых навыков от монтажников. Мы не знаем в России никого, кто мог бы качественно установить такие модули (более того, недавно установленные в Сколково тонкоплёночные модули TegoSolar были смонтированы с грубыми нарушениями, что привело к возгоранию крыши и уничтожению довольно дорогостоящей солнечной батареи из гибких фотоэлектрических модулей).

Справедливости ради нужно отметить, что в реальных условиях модули из аморфного кремния вырабатывают больше энергии с пикового ватта, чем моно и поликристаллические солнечные панели. Последние 2 года в Москве в ИВТАНе ведутся сравнительные испытания различных модулей, предварительные результаты говорят о том, что тонкопленочные модули GET вырабатывают примерно на 13% больше электроэнергии, чем все лучшие экземпляры модулей из кристаллических солнечных элементов.

КПД солнечных элементов различных типов

Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами

Этот вопрос выделен в отдельную статью

ВЫБОР СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ: МОНО ИЛИ ПОЛИ?

В видео ниже — обзор технологий солнечных элементов и их КПД на 2021 год. 

Неплохая статьи по теме на стороннем ресурсе:

Как делают солнечные элементы (17 фото + 2 видео)

Эта статья прочитана 22667 раз(а)!

• Качество солнечных элементов и модулей

  10000

  2 основных параметра для оценки качества солнечных модулей Нам часто задают вопрос — почему у вас солнечные панели стоят столько, а у каких-то других продавцов — дешевле. Простой ответ похож на известную и набившую оскомину фразу. Согласно известной рекламе, «не…

• STC, NOCT и PTC — что это такое ?

  10000

  Тестирование параметров солнечных батарей Что такое STC и PTC? Как оценить и сравнить параметры солнечных батарей При выборе солнечных модулей очень важно понимать параметры, которыми описывается модуль — мощность, напряжения, токи в различных режимах. Но не менее важно знать, при…

• Солнечные батареи. Руководство для покупателя

  10000

  Руководство для покупателя по выбору солнечных панелей При перепечатке ссылка на этот сайт обязательна, См. Правила копирования. «Ваш Солнечный Дом» Общее правило при покупке солнечных батарей Последние несколько лет, очень много компаний, начиная от ландшафтных дизайнеров до установщиков окон, крыш,…

• 12 преимуществ Double-Glass солнечных модулей

  10000

  Солнечные фотоэлектрические модули с двойным стеклом Модули с двойным остеклением (double glass) Солнечные модули с двойным стеклом  появились на рынке сравнительно недавно — 5-7 лет назад, но до недавнего времени они были дороже обычных модулей. В 2017 году они стали…

• Как выбрать солнечную батарею и не пожалеть об этом?

  66

  Как правильно выбирать солнечные элементы и модули Вы собрались купить солнечную батарею? В первую очередь, нужно обратить внимание на технические параметры солнечного модуля. Основные из них перечислены ниже. Также, нужно проверить качество изготовления и отсутствие визуальных дефектов на солнечных элементах,…

• Тонкопленочные модули из аморфного кремния

  62

  Тонкопленочные фотоэлектрические модули из аморфного кремния Тонкопленочные технологии часто рассматривают как будущее фотоэлектрической энергетики, несмотря на то, что в настоящее время более 90% всех производимых в мире солнечных модулей — кристаллические. Тем не менее, технологии тонкопленочных модулей развиваются очень быстро,…

Химия в солнечном свете

Ровно 150 лет назад, 18 августа 1868 года, двум ученым — Пьеру Жансену и Норману Локьеру — независимо друг от друга удалось обнаружить в спектре солнечных протуберанцев линию, которая не принадлежала ни одному из известных на тот момент химических элементов. Таким образом впервые был открыт элемент, про существование которого на Земле ничего не было известно. Имя он получил соответствующее — гелий (от древнегреческого ἥλιος — Солнце). Дальнейшая история показала, что и на нашей планете этого газа достаточно, хотя получить его непросто даже сегодня, не говоря о технических возможностях XIX века. Тем не менее, свое изначальное солнечное название элемент сохранил. Давайте разберемся, как удалось найти новый элемент с помощью исключительно оптических измерений и на что подобные измерения способны в наше время.

Обнаружить новый элемент на Солнце, ничего не зная о его присутствии на Земле, ученым помогли спектроскопические методы, основанные на том, что каждый элемент из всего непрерывного светового спектра выбирает только определенные длины волн, которые либо избирательно поглощает, либо, наоборот, избирательно испускает.

Определение металлов по цвету пламени

Основы современной спектроскопии были заложены еще в начале XIX века немецким химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном. Ученый заметил, что если небольшие образцы металлов или их солей поместить в пламя газовой горелки (изначально практически бесцветное), то у этого пламени появляется выраженная окраска, причем для разных металлов — разная. Так, если поместить в пламя натрий, то оно станет желтым, если литий — то красным, а если калий — фиолетовым.

Именно для определения щелочных и щелочно-земельных металлов анализ цвета пламени оказался наиболее полезным. Известны все эти металлы были и ранее, но многие из них очень трудно отличить друг от друга только с помощью химических реакций. Например, ионы калия и натрия в водных растворах ведут себя практически одинаково, но вот если каплю этих растворов поместить в пламя горелки, то их сразу можно отличить друг от друга.

Тем не менее, несмотря на наглядность этого подхода и его очевидную пользу для быстрого качественного анализа, такой метод оказался весьма грубым. Во-первых, таким образом невозможно определить наличие небольших примесей. Кроме того, оказалось, что человеческий глаз не способен отличить друг от друга цвета пламени многих элементов. Например, и литий, и стронций дают один и тот же цвет — красный, и понять, чем красный цвет лития отличается от красного цвета стронция, без дополнительных приборов невозможно.

Спектроскоп Бунзена — Кирхгофа

Поэтому, чтобы сделать метод химического анализа, основанный на анализе цвета пламени, более точным, Бунзен вместе с физиком Густавом Робертом Кирхгофом разработал специальный прибор, который мог преобразовать свет, исходящий от окрашенного пламени, сразу в целый спектр — подобно тому, как стеклянная призма превращает белый свет в радугу. С помощью целой системы таких призм и увеличительных стекол ученым удалось разложить видимый свет от пламени по длинам волн.

Этот спектр проецировался на экран, но, в отличие от непрерывной радуги, которая получалась при разложения белого света, он представлял из себя набор отдельных полос. Самая яркая из них по цвету совпадала с цветом пламени, но также на экране можно было найти еще несколько линий меньшей интенсивности.

Оказалось, что набор линий в оптических спектрах однозначно характеризует каждый элемент. И если на глаз два языка пламени красного цвета отличить друг от друга невозможно, то полный набор из десятка линий в разных частях спектра даст однозначную картину элементного состава изучаемого образца. При этом анализировать таким образом можно и сложные соединения, и смеси веществ — спектроскопия точно показывает, какие элементы входят в состав минерала, раствора или смеси порошков.

С помощью своего прибора ученые могли получать спектры двух типов — на них были либо яркие линии, светящиеся на фоне более тусклого спектра (их цвет при этом соответствует положению на радуге), либо, наоборот, это были спектры, на которых определенный цвет как будто бы вырезали. Первые из них — спектры испускания (или эмиссионные спектры) — образуются за счет излучения образцом света под действием определенного внешнего возбуждения. Так, в случае с металлами возбуждением является нагревание в пламени. Спектры второго типа формируются за счет поглощения видимого света — тоже строго определенной длины волны.

Сейчас, после развития квантовой физики (толчком к которому послужили в том числе и спектроскопические данные), мы знаем, что эти линии в спектрах соответствуют энергетическим переходам в электронных оболочках атомов. Если электрон переходит с более низкого по энергии уровня на более высокий, то ему требуется дополнительная энергия. Эту энергию электрон поглощает из видимого света, которым его облучают, и таким образом приводит к появлению «вырезанных» линий в спектре поглощения. Если же в результате внешнего воздействия освобождается какой-то из низких энергетических уровней, то на него сразу же перескакивает электрон с более высокой энергией, испуская при этом энергетический избыток в виде кванта света. Этот квант оказывается в спектре в виде дополнительной яркой линии в эмиссионных спектрах.

Разница энергий ΔE электронных уровней однозначно определяет длину волны испускаемого или поглощаемого света λ согласно уравнению ΔE=hc/λ, где h — постоянная Планка, а c — скорость света. При этом поскольку спектры
поглощения и испускания образуются в результате переходов между одними и теми же энергетическими уровнями, то и положение линий в спектрах двух типов будет совпадать.

Энергетических уровней у электронов в атомах (особенно сложных) — много, поэтому и линий в их спектрах возникает тоже множество — по одной на каждую пару уровней. Вероятность перехода между ними будет влиять на яркость той или иной линии в спектре, а суммарный набор всех спектральных полос становится однозначной характеристикой каждого отдельного элемента.

Бунзен во время своих экспериментов всего этого еще не знал, однако понял, что спектроскопические данные — то есть положение полос на радуге видимого света — однозначно определяют элемент. В результате химику и его последователям удалось составить полную таблицу спектрометрических данных для всех известных на тот момент элементов. А изучив оптические спектры некоторых минералов, ученым удалось обнаружить в них новые линии, по которым были описаны и неизвестные к тому времени элементы. Первыми из них оказались щелочные металлы — рубидий и цезий.

Открытие гелия

Теперь вернемся к гелию. Поскольку выяснилось, что обнаруживать новые элементы можно, основываясь только на их свечении, а достаточно точные спектроскопы к середине 60-х годов XIX века уже стали занимать довольно мало места, к 1868 году у ученых появилась идея исследовать таким образом химический состав Солнца. При этом возникла она одновременно и независимо сразу как минимум у двух ученых — Пьера Жансена и Нормана Локьера. Делать это они решили 18 августа 1868 года — в день полного солнечного затмения.

В тот момент, когда солнечный диск полностью закрывается лунным, снаружи можно видеть выступающие изменчивые образования — протуберанцы, и именно их спектр ученые решили изучить. Потом, правда, выяснилось, что если правильно настроить спектрометр, то спектр Солнца можно спокойно изучать и в другие дни, а не только во время затмения.

В результате этих экспериментов ученые описали целую серию спектральных линий, характерных для солнечного света. Впервые все эти полосы, названные Фраунгоферовыми линиями, были обнаружены еще в начале XIX столетия, однако связать положение каждой из них с химическим составом звезды удалось лишь более полувека спустя. Изначально были описаны 570 линий, сейчас их выделяют больше тысячи.

Стоит отметить, что, в отличие от тех спектров, которые Бунзен и Кирхгоф получали в лабораторных условиях, солнечный спектр представлял собой спектр поглощения — некоторых длин волн в сплошном спектре не хватало за счет того, что часть света поглощали элементы во внешних слоях атмосферы Солнца, однако линии в нем занимали те же положения, что и в спектрах испускания различных элементов, полученных ранее на Земле.

Благодаря данным, собранным за предыдущие годы, ученым без труда удалось определить, какие именно элементы привели к образованию полученного спектра. Подавляющее большинство линий свидетельствовали о наличии на Солнце водорода, также удалось обнаружить и другие элементы — в частности, железо, натрий, кальций и хром. Однако одна из ярких спектральных линий в желтой части спектра осталась неопознанной. Сначала ее приняли за двойную линию натрия, но при ближайшем рассмотрении оказалось, что эта полоса смещена относительно известных позиций натриевых линий, поэтому она была приписана новому элементу, который ученые и назвали гелием.

Обнаружить гелий на Земле удалось намного позже — только спустя 27 лет. Сначала этот инертный газ нашли в минералах, содержащих радиоактивные элементы и производящих гелий в результате их распада, а затем благодаря усовершенствованию методов газового фракционирования смогли получить его и из воздуха.

Гелий активно используется, например, для проведения экспериментов в условиях низких температур, поэтому поиск естественных месторождений гелия и сегодня остается актуальной задачей. Так, недавно химики из Оксфордского и Даремского университетов специально разработали метод направленного поиска месторождений гелия, с помощью которого нашли крупнейшее из известных на данный момент месторождений в Восточно-Африканской рифтовой долине с емкостью около полутора миллиарда кубометров.

Более детальное изучение спектров

Изначально вся информация, которую ученые предлагали получать из спектроскопических данных, основывалась на единственном параметре — положении спектральных линий (сначала на проецируемой на экран радуге, образованной в результате дисперсии из видимого света, а затем — и по длине волны). Но оказалось, что в этих спектрах содержится значительно больше информации. Во-первых, все линии отличаются друг от друга по яркости свечения, поэтому любой спектр можно представить в виде зависимости интенсивности от длины волны. В таком виде спектр представляет из себя набор пиков с разными положением, шириной и высотой.

Если интенсивность каждого пика определяется изначальной электронной структурой атома, то по уширению спектральных линий можно делать выводы о каких-то дополнительных свойствах исследуемого объекта: например, химики могут таким образом определить параметры взаимодействия конкретного атома с кристаллической решеткой, а астрономы — измерить температуру звезды.

Кроме того, положения пиков на спектрах все-таки не совсем постоянные, они могут смещаться. Движение спектральных линий по спектру происходит из-за случившегося по какой-то причине изменения энергии волны. Такой причиной может быть и непосредственно смещение энергетических электронных уровней, и изменение параметров волны после испускания. Так, в кристаллических материалах изначальные электронные уровни могут расщепляться под влиянием соседних атомов — например, магнитное поле от соседей по кристаллической решетке может приводить к тому, что за счет эффекта Зеемана один уровень расщепляется на несколько. Таким образом в спектре пик не только смещается, но еще и множится.

Другая возможная причина изменения положения спектральных линий — эффект Доплера. Так, если волну испускает объект, движущийся с большой скоростью, например звезда, то частота излучения смещается в область более длинных волн (то есть в сторону красного цвета) при движении от наблюдателя или в область более коротких длин волн (в сторону фиолетового цвета) при движении к наблюдателю. Поскольку «правильное» положение линий (которое было бы, будь звезда неподвижной) известно, то по их смещению можно определить скорость движения нашей звезды (или галактики, или туманности).

Эффект Доплера, кстати, может приводить не только к смещению, но и к уширению пиков, если излучающих объектов одновременно много и двигаются они все случайным образом в разные стороны.

Спектроскопические методы в химическом анализе

Сейчас спектроскопические методы — один из самых распространенных методов анализа как в «земной» химии, так и при изучении различных астрономических объектов. Так, окрашивание пламени до сих пор используется для быстрого качественного определения щелочных и щелочно-земельных металлов. Более сложные спектроскопы продолжают использовать для проведения количественного химического анализа и в физических экспериментах. Количество спектроскопических методов за полтора века значительно увеличилось, и они уже давно не ограничиваются только видимой частью спектра.

Однако именно видимый диапазон и примыкающие к нему инфракрасная и ультрафиолетовые области оказались наиболее удобными для элементного
анализа и анализа молекулярного строения. Объясняется это довольно простым соображением: точно такие же электронные переходы используются
светочувствительными рецепторами в сетчатке глаза человека при улавливании солнечного света. Мы их воспринимаем как цвет, а прибор аналогичные сигналы преобразует в пики на спектре.

Сейчас спектроскопия в видимой и ультрафиолетовой областях чаще используется не для элементного анализа, а для исследования электронных переходов в органических молекулах. Это позволяет изучить строение комплексных соединений в растворах, определить их люминесцентные свойства. Нередко этот же тип спектроскопических измерений используют для исследования свойств полупроводников, у которых ширина запрещенной зоны как раз соответствует излучению в видимой и ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра.

При этом энергия электронных переходов оказывается не единственной, которую можно использовать для электромагнитной спектроскопии. Так, в прилегающей к видимому диапазону инфракрасной области лежат энергетические переходы, связанные с возбуждением колебаний молекул или их отдельных частей. Этот вид анализа оказался полезным в органической химии, где элементный анализ имеет не так много смысла (все органические молекулы состоят в первую очередь из углерода и водорода, реже в них можно найти кислород и азот, а еще реже — другие элементы). Зато пики, связанные с колебаниями связей, могу рассказать о наличии в молекуле тех или иных функциональных групп, что сразу дает важную информацию о строении исследуемого вещества.

Спектроскопические методы используют электромагнитное излучение и других длин волн — в микроволновом, терагерцовом и рентгеновском диапазонах. Это излучение взаимодействует с электронами и ядрами атомов, приводя не только к поглощению или испускания света, но также, например, к отражению, дифракции или выбиванию из вещества электронов. Так, с помощью микроволновой спектроскопии ученые могут исследовать переходы между вращательными состояниями молекул, с помощью рентгеновской дифракции — строение кристаллов, а излучение в мегагерцовом диапазоне приводит к изменению магнитного момента ядра. При этом не стоит забывать, что современная спектроскопия не ограничивается использованием электромагнитных волн — исследоваться могут акустические спектры или даже распределения ионов по массе.

Спектроскопические методы в астрономии

Пример гелия показал, что спектроскопия — один из самых эффективных инструментов для исследования астрономических объектов. Поскольку поместить звезду или галактику в измерительный прибор невозможно, то за ними остается только наблюдать, исследуя спектры тех электромагнитных сигналов, которых до нас долетают. В первую очередь, с помощью спектроскопии можно изучать именно химический состав астрономических объектов.

Основным источником данных остаются спектры в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Именно по ним легче всего определить элементный состав звезд (который показывает, в основном, наличие самых легких элементов, водорода и гелия — их в космосе 98 процентов) или облаков межзвездного газа. Другой важной для астрономической спектроскопии частью электромагнитного спектра оказался радиодиапазон: именно там находятся энергетические переходы между вращательными состояниями молекул. С помощью этого вида спектроскопии можно определять наличие в космосе угарного газа или органических молекул. Подробнее о спектроскопических методах, которые используют сейчас для анализа химического состава астрономических объектов, вы можете прочитать в другом нашем материале
«Космическая химия».

Также для исследований используется электромагнитное излучение в гамма-диапазоне — в частности, с помощью него ученые пытаются исследовать источники космических лучей. Как и полтора века назад, основной информацией, которую астрономам удается получать с помощью спектроскопических исследований космоса, все еще остается химический состав небесных тел. Однако теперь с помощью них также можно измерять, например, температуру, светимость и скорость небесных тел или плотность их оболочек. При этом количество объектов, исследуемых с помощью спектроскопии, точность методов, количество определяемых веществ и исследуемых параметров за эти 150 лет увеличились не на один порядок.

Александр Дубов

Как работает солнечная батарея

• Вы здесь:

• СКУД

• Студенты и преподаватели

• Образовательные ресурсы

• Средняя школа

• Химические вопросы

• вопросы

• Архив 2013-2014 гг.

• Как работает солнечная батарея

ChemMatters

• Меню

  • Статьи

  • вопросы

  • Ресурсы для учителей

  • О

  • Подписывайся

  • Цифровой доступ

Общие химические вещества, используемые для получения солнечной энергии

Хотя солнечная энергия по-прежнему является одним из наименее используемых источников производства энергии, она находится на подъеме. Его сильный рост и множество преимуществ сделали его ключевым аспектом возобновляемых источников энергии в будущем.

И, как и в большинстве форм производства (даже «чистой» энергии), химические вещества используются на протяжении всего процесса для производства конечного продукта. От производства солнечных панелей до самого процесса преобразования солнечной энергии используется ряд распространенных химических веществ, некоторые из которых могут стать неожиданностью.

Итак, какие обычные химические вещества играют роль в производстве солнечной энергии? Вот некоторые из них:

Кадмий

Кадмий является основным ингредиентом элементов из теллурида кадмия (CdTe), типа фотогальванических панелей, которые преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество. Ячейки CdTe являются самым крупным доступным типом и наиболее широко используемым коммерческим продуктом с тонкими молекулами. Когда солнечный свет попадает на эти панели, он возбуждает электроны в поверхностных материалах, создавая электрический ток.

Хотя кадмий классифицируется как встречающийся в природе земной металл, он может быть высокотоксичным при вдыхании или проглатывании. Взаимодействие с этим химическим веществом может привести к поражению легких и внутренних органов. Еще одним недостатком является его стоимость и неэффективность — только около половины используемого кадмия попадает в конечный продукт пленки, используемой в элементах.

Кремний

Кремний, содержащийся в солнечных панелях, был обработан до такой степени, что он стал почти полностью чистым – так называемый металлургический класс. После того, как кремнезем был добыт, он проходит через ряд химических и промышленных процессов, чтобы удалить большую часть примесей и реструктурировать химический состав во что-то, что обеспечит необходимую структуру для солнечных элементов.

Элементы на основе кремния — это еще один тип фотоэлектрических панелей на рынке, где они хорошо зарекомендовали себя, но в последнее время их использование сокращается. Эти типы ячеек обеспечивают более высокую эффективность использования энергии в расчете на размер ячейки, что делает их идеальными для областей, где пространство в большом почете.

Кремний и диоксид кремния очень взрывоопасны (а также известно, что иногда самовозгораются), токсичны и иногда очень расточительны — иногда более половины теряется при производстве.

Соляная кислота

Как упоминалось ранее, переработанный кремний, используемый в солнечных элементах, почти полностью чист – иногда чистота достигает 99,6%. Но часто этого недостаточно для эффективного использования. В этих случаях кремний должен пройти дополнительную химическую обработку, где он смешивается с медью и соляной кислотой.

Создается при растворении хлористого водорода в воде. Он ядовит, вызывает коррозию и обладает высокой реакционной способностью. Когда кремний подвергается воздействию смеси кислоты и меди, он производит газ трихлорсилан, который затем превращается в расплавленный кремний, из которого можно формировать солнечные элементы.