химический каталог




Введение в водородную энергетику

Автор Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г.Кулешов

??, к которым относятся как кристаллы полупроводников, так и органические молекулы (в полупроводниках с прямыми оптическими переходами гт равно ширине запрещенной зоны, а в органических молекулах — энергии низшего синглетного возбужденного состояния), фотоны с энергией, меньшей гт, не поглощаются. Поэтому максимально возможная эффективность преобразования зависит от гт. Она имеет максимум при ет=1,Зч-1,7 эВ для солнечного свгта у поверхности Земли н составляет 40—43%. Снижение эффективности фотоэлементов связано и с тем, что развиваемая фото-ЭДС, равная разности энергий Ферми между составляющими фотоэлемента (например, между полупроводниками п- и р-типа в ? — «переходе или между потенциалом плоских зон полупроводника и равновесным потенциалом раствора), всегда меньше гт. Уменьшение эффективности обусловлено также неактивным поглощением света, снижающим квантовый выход фотоэффекта, рекомбинациями зарядов, образующихся при освещении, омическими потерями на внутреннем сопротивлении элемента и отражением света. В существующих солнечных батареях реализуется эффективность преобразования, равная примерно половине указанного выше предельного значения (около 20%). При фотосинтезе, где ет «1,8 эВ, а энергия одного фотона, используемая для разложения воды, составляет лишь 0,62 эВ (два фотона на перенос одного электрона), коэффициент преобразования без учета потерь на рекомбинацию зарядов и отражение света составляет 14%. Основными недостатками существующих солнечных батарей являются их высокая стоимость, обусловленная применением кристаллов полупроводников (кремния, арсенида галлия) высокой степени чистоты, и технологические трудности при изготовлении батарей большой площади.

Пленочные фотоэлементы на базе органических фотопроводников

Солнечные батареи большой площади представляют собой пленочные фотоэлементы с ? — «-переходом, нанесенные на гибкую полимерную подложку. Возможности применения ооганических полупроводников изучены значительно меньше, чем неорганических. Казалось бы, органические фотопроводники имеют ряд принципиальных недостатков и главные из них — низкий квантовый выход фотоэффекта и низкая подвижность носителей тока, приводящая в конечном итоге к высоким внутренним сопротивлениям фотоэлементов и большим омическим потерям. Низкий квантовый выход связан с тем, что поглощение света в органических веществах (А) приводит к образованию не носителей тока, а электронейтральных возбужденных состояний

Н20 + ftv + 2А-+2А* + ~ 02 + 2Н+; 2?*+2?+->2? + ?2,

распад которых на носители тока требует дополнительных затрат энергии, поскольку ширина запрещенной зоны больше энергии возбуждения молекул. Имеется, однако, возможность увеличения квантового выхода фотоэффекта путем введения донорных или акцепторных примесей, которые способны ионизироваться при поглощении ими энергии возбуждения окружающих молекул. Согласно [97] в слоях фталоцианинов квантовый выход достигает 0,3—0,5 при концентрации 158

легирующей примеси порядка 1019 см~3. Акцепторными примесями являются кислород, сера, селен, донорными — атомы металлов. Процесс ионизации примеси напоминает начальную стадию фотосинтеза, на которой энергия от возбужденных светом молекул хлорофилла передается на первичный центр в цепи транспорта электронов Фтало-цианины (пигменты, аналогичные по строению хлорофиллу) обладают высокой термической (температура разложения выше 723 К в инертной атмосфере и 573 К на воздухе) и химической устойчивостью интенсивным поглощением в требуемой области спектра (1,7—1,8 эВ) и при вакуумной сублимации образуют прочные слои толщиной Ю-"—Ю-5 см. В настоящее время разработаны методы получения фталоцианинов с шириной запрещенной зоны 2,0—2,1 эВ, собственной проводимостью порядка Ю-13 Ом-'-см-', подвижностью носителей тока от 0,3—0,5 см2-В-'-с-' во фталоцианиие без металла до 10—15 см2-В-,-с-1 во фталоцианиие меди. Легирование кислородом создает акцепторные уровни глубиной от 0,8 до 0,6 эВ, а алюминием — донорные с энергией ионизации около 0,4 эВ. Прн концентрациях примесей 1018—10" см"3 получаются материалы п- и р-типов с удельной проводимостью около Ю-6 Ом-'-см-1, максимально достижимая эффективность преобразования достигает при этом 16%(. Реально получаемые значения составляют менее 1% и определяются высокой скоростью рекомбинации носителей тока в р —п-переходе и высоким внутренним сопротивлением базы фотоэлементов. Замена обычных методов легирования химической модификацией молекул фталоцианинов (введением заместителей, димеризацией, использованием ионов переменной валентности в качестве комплексообразующе-го) позволяет считать достижимыми значения эффективности преобразования в 5—17%.

Фотоэлементы на основе окислительно-восстановительных систем (фотогальваническая ячейка)

Принцип действия фотогальванической ячейки состоит в следующем: раствор электролита содержит поглощающий свет краситель, способный восстанавливаться, и ион, способный окисляться. При поглощении света молекулы красителя переходят в возбужденное (как правило, долгоживущее триплетное) состояние, в котором они реагируют со вторым компонентом. В темоте равновесие реакции

T+ + Fe2+=f±TH++F3+

(Т+ — тиоиин, ТН+ — его семихинон) сдвинуто влево, а под действием света в результате возбуждения красителя создаются концентрации семихинона и трехвалентного железа, превышающие равновесные. Сопутствующее этому изменение энергии Гиббса можно преобразовать в разность потенциалов, поместив один электрод в освещенный, а другой —в неосвещенный раствор, находящийся в контакте с первым. Часть поглощенной световой энергии будет при этом теряться в результате обратимой реакции в объеме раствора аналогично электронно-дырочной рекомбинации, упоминавшейся выше. Другим источником потерь является биполярная диффузия, поскольку при одинаковых потоках обоих реагентов на оба электрода фотопотенциал стремится к нулю, как и при быстрой объемной рекомбинации.

В отличие от рассмотренного выше фотоэффекта в р —п-пере-коде, где диффузия носителей происходит в разделяющем их электрическом поле, в данном случае поле в объеме раствора отсутствует. Для устранения диффузии красителя к одному из электродов в ячейку должна быть помещена мембрана, пропускающая неорганические

159

ионы, но непрозрачная для молекул красителя, имеющих большие размеры. Последнее требование трудно выполнимо при обычно близких размерах частиц обоих компонентов. Если считать, что упомянутые выше потери могут быть снижены, эффективность преобразования энергии в фотогальванической ячейке, помимо коэффициента использования солнечного света, будет определяться энергетическим квантовым выходом фотохимической реакции, стабильностью раствора и электродов при длительном освещении и, конечно, обратимостью электродных реакций.

Фотоэлементы, использующие фотоэффект на границе полупроводник—электролит

Возникновение этого фотоэффекта связано с разделением электронно-дырочных пар, генерируемых светом в полупроводнике, в поле поверхностного барьера. Когда полупроводник находится в контакте с раствором редокс-системы, величина поверхностного барьера V определяется разностью потенциала плоских зон полупроводника ?/ь и редокс-потенциала ??:

V=ffb—??.

Если это падение потенциала сосредоточено в полупроводнике, что имеет место при плотности носителей тока в нем ниже 1019 см~3 и концентрации электролита выше 10~2 моль-л-1, фото-ЭДС, развиваемая фотоэлементом, равна V. Очевидно, что значение V не может превышать ширину запрещенной зоны, а практически должно быть меньше ее по крайней мере на 0,5 эВ, чтобы предотвратить иижск-цию дырок нз раствора в полупроводник и образование вблизи границы инверсионного слоя. По этой причине фото-ЭДС, развиваемая таким элементом, оказывается принципиально ниже, чем в обычных солнечных батареях. Другим недостатком этих элементов является сравнительно низкий коэффициент собирания света [98]. связанный с поглощением значительной его части вне области пространственного заряда.

Некоторые преимущества описываемых фотоэлементов связаны с относительной простотой получения поверхностного барьера по сравнению с ? — я-переходом н возможностью использования поликристаллических материалов. Однако эти преимущества едва ли смогут оправдать усложнение конструкции, вызванное использованием слоев электролита, и уменьшение эффективности преобразования, определяемое как указанными выше причинами, так н нестойкостью полупроводников с требуемой шириной запрещенной зоны (Si, GaAs, GdA) в растворах электролитов.

Фотохимические элементы

Разность потенциалов, создаваемая в фотоэлементе при освещении, может не только совершать работу во внешней цепи, но и соз-' давать в самом растворе (в режиме короткого замыкания) разность потенциалов, необходимую для протекания химических реакций. Полупроводник п-типа находится в контакте с кислородным электродом, и его потенциал при освещении становится равным потенциалу кислородного электрода; аналогично потенциал освещенного полупроводника р-типа, находящегося в контакте с водородным электродом, становится равным потенциалу последнего. Если электроды замкнуты накоротко и осуществлен контакт между растворами, в системе будет происходить электролиз воды точно так же, как и при подключении к электродам в отсутствие освещения внешнего источника на-

160

пряжения, равного разности потенциалов кислородного и водородного электродов. Таким образом, процесс имеет признаки электролиза, в связи с чем и известен в литературе как фотоэлектролиз. Тот же результат можно получить, заменив один из полупроводниковых электродов на металлический, если фото-ЭДС, развиваемая одним полупроводником, достаточна для создания требуемой разности потенциалов.

Типичным случаем описываемого процесса является фоторасщепление воды в присутствии полупроводникового элемента, анод которого выполнен из кристалла двуокиси титана ТЮ2, а в качестве катода используется электрод из платины. В результате воздействия излучения с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны (около 3,0 эВ), в кристалле ТЮ2 образуются элект

страница 31
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
кирпич керамический 250 120 65
fissler спб
zoggs в ярославле купить
сетка штукатурная рулон цена

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(30.05.2017)