В Беларуси проходит #ГодНавуки!
Радоваться не стоит, ведь вы будете Вынуждены узнать в этом году Очень много о современной Науке! Недавно я провел соцопрос – хотите ли бы Вы регулярно узнавать что-то новое о строении окружающего Вас Мира? И был удивлен, когда 83% ! ответило – Конечно же, ДА!

Так что у нас есть еще время до конца года, чтобы сделать несколько Открытий!

Открытие #1

Все материалы состоят из атомов. Строение атома таково, что у него есть ядро, окруженное электронами – и вот эти самые ядра, окруженные электронами, располагаются определенным образом внутри материала. И, оказывается, что атомы находятся слишком близко друг к другу (на расстоянии порядка 3*10^-10 метра) и оказывают друг на друга слишком большое влияние. Кроме того, атомов в материале огромное количество – их порядка 10 в 22ой степени штук в одном кубическом сантиметре (10 000 000 000 000 000 000 000 – вот столько). Теоретически можно и нужно (очень хотелось бы) знать точное значение энергии каждого электрона в электрическом поле всех других электронов (в достаточно сложных условиях, ведь их слишком много), – Но решить такую систему уравнений невозможно. Физики придумали как приблизительно описать поведение всех электронов в кристалле (а их еще больше, чем атомов) – придумали Зонную Теорию и разбили все электроны на два класса.

Валентные электроны, связанные с атомами, либо участвующие в образовании химических связей в кристалле имеют меньшее значение энергии. И электроны проводимости (как бы свободные) – способные передвигаться внутри кристалла. С точки зрения современной физики, электроны не могут передвигаться абсолютно свободно, они располагаются на определенных энергетических уровнях. Набор уровней энергии, на которых располагаются валентные электроны – это валентная зона, а набор уровней энергии, на которых располагаются свободные электроны, — это зона проводимости. Кроме того, есть определенные значения энергии, которые электрон не может принимать ни при каких условиях — и все эти значения энергии (энергетические уровни) – являются Запрещенной Зонной.

И вот наконец-то

Открытие #1

— оказывается, что все материалы можно разделить на три вида! (расскажите мне, если кто знает, почему об этом не рассказывают в школе..?) Диэлектрики – полупроводники – металлы! Всего лишь нужно определиться какая у данного материала величина запрещенной зоны – если ее нет, то это металл (Огромное количество свободных электронов). Если она совсем небольшая, то это полупроводник (только небольшая часть электронов является свободными и в чистом полупроводнике их как правило недостаточно, для того чтобы проводить ток). И материалы, в которых запрещенная зона большая, — это диэлектрики (они не проводят ток ни при каких условиях).

Если захотеть, то часть электронов из валентной зоны можно перевести в зону проводимости и сильно изменить свойства материала. Для этого нужно или добавить в материал атомы другого типа или использовать какое-либо внешнее воздействие (нагрев, свет и тд), которое сообщит электронам достаточное количество энергии, чтобы они смогли перепрыгнуть всю запрещенную зону. Переход возможен только из валентной зоны в зону проводимости и обратно – в запрещенной зоне электроны располагаться не могут!

Открытие #2

Когда то давно Человечество (а точнее только некоторые из людей, потому что остальным было безразлично) узнали, что электричество и магнетизм взаимосвязаны и развили теорию электромагнитного поля и электромагнитных волн. Потратили лет … много). И все вроде рады и довольны и радио работает и телевидение и много чего еще. Но уже более 100 лет назад у Макса Планка появилась гипотеза о том, что свет испускается (или переносится) маленькими порциями или квантами, которые позднее получили название фотоны. Позже Луи де Бройль расширил эту теорию на весь спектр электромагнитных волн. Совместные труды Планка, Эйнштейна, Де Бройля и др. разрушили стройную картину мира и доказали, что любому объекту в нашем мире, обладающему какой-либо энергией можно поставить в соответствие волну с определенными параметрами. И что для нас наиболее важно, любая волна может рассматриваться физиками как частица или объект с определенной энергией.

Огромное число реальных экспериментов (и реальных применений) может быть рассчитано и объяснено только используя понятие волны для света или других электромагнитных волн – обычные оптические приборы (объективы, бинокли, микроскопы), а также радио, телевидение и др. НО огромное количество экспериментов и применений объяснимо только с использованием частиц-фотонов, которые обладают определенной энергией. Здесь нет никакого противоречия, просто физические теории пока еще далеки от претензий на Полное описание строения мира.

Посмотрите на спектр солнечного света. Радугой показана та часть, которую мы можем увидеть глазом, меньшая часть (47%). Около 51% спектра закрашено светло серым – это инфракрасное излучение, оно нас греет, но глазом увидеть его уже невозможно.

Мы уже приближаемся к Открытию. Оказывается, что взаимосвязь энергии и длины волны, которую установила Могучая Кучка гласит, что чем больше длина волны, тем меньше энергия частицы-кванта-фотона. И наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия – они обратнопропорциональны. Прекрасная красная стрелка внизу показывает именно Это, она направлена в другую сторону!

А что это там за циферки стоят? Оказывается, что энергию частиц-квантов-фотонов обычно измеряют в тех же единицах, что и самую важную в мире величину – Ширину (величину) Запрещенной Зоны любого материала. Напоминаю — у металлов это 0 (ноль), у диэлектриков более 3,5. А то, что между 0 и 3,5 – это полупроводники. Как мы видим, энергия квантов света в видимой области длин волн (радуга на рисунке) имеет значения *от 1,5 до 3,0 * — то есть меньше, чем необходимое значения для поглощения в стекле (диэлектрик, а значит запрещенная зона более 3,5), НО может прекрасно поглощаться различными полупроводниками (кремний, германий, арсенид галлия и др.). И в продолжение Открытия можно добавить – что для того, чтобы эффективно поглощать солнечный свет нужно найти или создать такой материал, ширина запрещенной зоны которого, будет позволять поглотить максимальное количество солнечного света.

Теперь можно попытаться ответить, например, на такой вопрос – Почему современные солнечные элементы так малоэффективны?