Энергетыка заўсёды была ключавым фактарам трансфармацыі і прагрэсу чалавечага грамадства. Гэтая важнасць стала асабліва відавочнай пасля дзвюх прамысловых рэвалюцый, калі людзі ўсё больш усведамлялі вырашальную ролю развіцця энергетыкі.
У сучасным імкліва развіваючымся грамадстве традыцыйныя крыніцы энергіі, такія як выкапнёвае паліва (вугаль, нафта і г.д.), сутыкаюцца з значнымі праблемамі з-за працяглых цыклаў рэгенерацыі, скарачэння запасаў і зніжэння якасці. Гэтыя праблемы ўсё больш ускладняюць задавальненне расце попыту на энергію, выштурхоўваючы распрацоўку і выкарыстанне новых крыніц энергіі на першы план.
Натхненне з фотасінтэзу: выкарыстанне сонечнай энергіі
Як вядома, амаль уся энергія, якую можна выкарыстоўваць на Зямлі, паходзіць ад фотасінтэзу ў раслін.
Фотасінтэз — гэта біялагічны працэс, падчас якога расліны сінтэзуюць цукры з выкарыстаннем вуглякіслага газу і вады пад уздзеяннем сонечнага святла. Паколькі гэтыя цукры вызваляюць энергію падчас метабалізму, сонечная энергія захоўваецца такім чынам.
Аднак гэтая энергія не паддаецца лёгкаму выкарыстанню і звычайна патрабуе пераўтварэння ў электрычнасць, форму, якую мы звычайна выкарыстоўваем. Згодна з фізікай, пераўтварэнне энергіі заўсёды цягне за сабой некаторыя страты. Такім чынам, непасрэднае пераўтварэнне сонечнай энергіі ў электрычнасць стала крытычна важнай вобласцю даследаванняў.
Ці можна сонечную энергію непасрэдна пераўтварыць у электрычнасць? І якія фактары ўплываюць на гэты працэс? Гэта былі важныя пытанні для навукоўцаў пачатку 19 стагоддзя. На шчасце, у канцы 19 стагоддзя адбыўся значны прарыў.
Адкрыццё фотаэлектрычнага эфекту
У 1887 годзе вядомы фізік Генрых Герц, чыё імя цяпер выкарыстоўваецца ў якасці адзінкі вымярэння частаты, выпадкова выявіў, што святло, якое падае на паверхні пэўных матэрыялаў, можа змяняць іх электрычныя ўласцівасці. Пазнейшыя даследаванні паказалі, што гэтая з'ява выклікана патокам электронаў, які пазней атрымаў назву фотаэлектрычны эфект.
У той час у навуковай думцы дамінавала класічная фізіка, заснаваная Ньютанам. Яна пастулявала, што святло — гэта хваля, якая распаўсюджваецца праз асяроддзе пад назвай эфір (падобна да рабізны, якая распаўсюджваецца па сажалцы). Згодна з гэтай тэорыяй, энергія хвалі залежыць ад яе амплітуды (інтэнсіўнасці святла).
Гэта тлумачэнне здавалася інтуітыўным. Напрыклад, сонечнае святло прыемна грэе зімой, але можа выклікаць сонечныя апёкі ў моцную летнюю спёку. Таму, згодна з класічнай фізікай, лічылася, што фотаэлектрычны эфект залежыць ад інтэнсіўнасці святла. Аднак эксперыменты паказалі адваротнае.
Даследаванні паказалі, што для дадзенага матэрыялу пэўныя колеры святла не могуць выклікаць фотаэлектрычны эфект незалежна ад інтэнсіўнасці, у той час як іншыя могуць генераваць электрычнасць нават пры нізкай інтэнсіўнасці. Гэтыя высновы супярэчаць класічнай фізіцы, кідаючы яе ў крызіс і выклікаючы навуковую рэвалюцыю.
Эйнштэйн раскрывае таямніцу
Сярод гэтай навуковай буры Альберт Эйнштэйн прапанаваў рэвалюцыйнае тлумачэнне фотаэлектрычнага эфекту.
Эйнштэйн выказаў здагадку, што святло складаецца з фатонаў, кожны з якіх прадстаўляе дыскрэтны пакет энергіі. Энергія фатона залежыць ад яго частаты (колькасці ваганняў у секунду), а не ад яго інтэнсіўнасці. Такім чынам, ці можа матэрыял генераваць электроны, цалкам залежыць ад энергіі фатона, а не ад колькасці фатонаў.
Рэвалюцыйнае адкрыццё Эйнштэйна прынесла яму Нобелеўскую прэмію па фізіцы ў 1921 годзе, бо яно вырашыла крытычную праблему, якую класічная фізіка не змагла растлумачыць.
Сонечныя батарэі: пераўтварэнне святла ў электрычнасць
Адкрыццё фотаэлектрычнага эфекту праклала шлях для практычных ужыванняў, такіх як сонечныя батарэі.
Сонечны элемент нагадвае сэндвіч са святлоадчувальным актыўным слоем, размешчаным паміж пластом пераносу электронаў і пластом пераносу дзірак. Два канцы структуры выкананы з электродных матэрыялаў, часта з металу і аксіду індыя і волава (ITO).
Калі актыўны пласт паглынае фатоны, яго электроны ўзбуджаюцца да больш высокіх энергетычных узроўняў. Гэтыя ўзбуджаныя электроны пераносяцца ў пласт электронаў, у той час як «дзіркі» (вобласці, у якіх адсутнічаюць электроны) праводзяцца пластом дзірак. Такая кампазіцыя стварае ланцуг, які забяспечвае праходжанне току.
Выкарыстоўваючы такую канструкцыю прылады, сонечную энергію можна непасрэдна пераўтвараць у электрычнасць, што дае нам эфектыўную і чыстую крыніцу энергіі.
Даніна навуковым даследаванням
Прынцып сонечных батарэй ілюструе тое, як навуковыя даследаванні значна палепшылі наша жыццё. Дзякуючы адданасці незлічоных навукоўцаў і іх рэвалюцыйным адкрыццям, чалавецтва працягвае выкарыстоўваць сілу прыроды дзеля лепшай будучыні. Давайце аддамо даніну павагі іх незвычайнаму ўкладу!
