О некоторых новых конструкциях фотоэлементов

on 01 September 2008.

   Преобразование энергии электромагнитного излучения - проблема, имеющая жизненно важное значение. Повышение коэффициента полезного действия существующих преобразователей, удешевление и упрощение конструкций или использование устройств, работающих на принципиально других эффектах, может позволить вовлечь в энергооборот колоссальные объемы энергии.
   Любая электромагнитная волна, распространяясь вдоль проводника, будет индуцировать постоянную ЭДС.   

     В самом деле, электрическая составляющая волны вызовет смещение носителей тока, электронов, магнитная составляющая воздействует на эти движущиеся заряды и вызывает их смещение. Хотя смещение зарядов от действия электрической составляющей изменяется через половину периода на противоположное, но изменяется также и магнитная составляющая. Поэтому смещение зарядов  для данного направления волны будет при любых фазах волны направлено только в одну сторону, а это означает, что на концах проводника под действием электромагнитной волны, скользящей вдоль проводника, будет возникать постоянная разница потенциалов.  Интересно, что и для ионов и для электронов смещение будет происходить в одну сторону. Но коль скоро подвижность ионов значительно меньше, чем подвижность электронов (а в твердых проводниках подвижность ионов вообще отсутствует), то можно определить и знаки зарядов на концах проводников - дальний от источника излучения конец проводника будет нести отрицательный заряд, а ближний – положительный.
      Давление света на пластину, расположенную перпендикулярно лучу, будет вызывать тот же эффект. Это следует непосредственно из теории Максвелла - электрическая составляющая волны воздействует на электроны и ионы, вызывая их смещение перпендикулярно лучу, а магнитная составляющая воздействует на движущиеся заряды (токи) и вдавливает их в тело. Между поверхностью, на которую воздействует луч света, и обратной поверхностью пластины должна появиться разница потенциалов.

       Собственно, в современных фотоэлементах также возникает постоянная разница потенциалов. Но процесс этот происходит с применением полупроводников и совсем иначе, возникновение ЭДС принципиально отличается от рассмотренного. Хотя так ли уж принципиально? Не есть ли возникающая разница потенциалов проявлением одних и тех же эффектов?

Преобразование энергии электромагнитного излучения - проблема, имеющая жизненно важное значение. Повышение коэффициента полезного действия существующих преобразователей, удешевление и упрощение конструкций или использование устройств, работающих на принципиально других эффектах, может позволить вовлечь в энергооборот колоссальные объемы энергии.
   Любая электромагнитная волна, распространяясь вдоль проводника, будет индуцировать постоянную ЭДС.   

     В самом деле, электрическая составляющая волны вызовет смещение носителей тока, электронов, магнитная составляющая воздействует на эти движущиеся заряды и вызывает их смещение. Хотя смещение зарядов от действия электрической составляющей изменяется через полпериода на противоположное, но изменяется также и магнитная составляющая. Поэтому смещение зарядов  для данного направления волны будет при любых фазах волны направлено только в одну сторону, а это означает, что на концах проводника под действием электромагнитной волны, скользящей вдоль проводника, будет возникать постоянная разница потенциалов.  Интересно, что и для ионов и для электронов смещение будет происходить в одну сторону. Но коль скоро подвижность ионов значительно меньше, чем подвижность электронов (а в твердых проводниках подвижность ионов вообще отсутствует), то можно определить и знаки зарядов на концах проводников - дальний от источника излучения конец проводника будет нести отрицательный заряд, а ближний – положительный.
      Давление света на пластину, расположенную перпендикулярно лучу, будет вызывать тот же эффект. Это следует непосредственно из теории Максвелла - электрическая составляющая волны воздействует на электроны и ионы, вызывая их смещение перпендикулярно лучу, а магнитная составляющая воздействует на движущиеся заряды (токи) и вдавливает их в тело. Между поверхностью, на которую воздействует луч света, и обратной поверхностью пластины должна появиться разница потенциалов.

       Собственно, в современных фотоэлементах также возникает постоянная разница потенциалов. Но процесс этот происходит с применением полупроводников и совсем иначе, возникновение ЭДС принципиально отличается от рассмотренного. Хотя так ли уж принципиально? Не есть ли возникающая разница потенциалов проявлением одних и тех же эффектов?


       При распространении волн любого диапазона вдоль поверхности Земли вследствие проводимости почвы возникает продольная составляющая электрического поля. Тоже касается и поверхности моря. Это явление со времен первой мировой войны самым тщательным образом изучалось и исследовалось. Дело в том, что была проблема передачи информации на подводные лодки, находящиеся в погруженном состоянии. Оказалось, что эту проблему можно решить, но только в диапазоне сверхдлинных волн. (Долуханов М.П. От миллигерц до терагерц (радиоволны в морской связи и навигации), "Судостроение", Ленинград, 1970, с. 61).
Причем в морской воде продольная электрическая составляющая электрического поля в 2700 раз больше вертикальной. Это означает, что в морской воде сверхдлинноволновые станции выгоднее принимать на горизонтальные антенны. И это напрямую подтверждает гипотезу автора.
Итак, автор представляет себе техническое решение  фотоэлемента таковым.
       Лента с тонким напылением проводящего слоя является приемником излучения. Свет (излучение) скользит вдоль ленты. С целью увеличения эффекта можно использовать большое количество лент, расположенных параллельно. Потенциал снимается со стороны входа и выхода света (электромагнитного излучения) тонкими, прикасающимися к ленте во многих местах проводниками. Эти проводники подключены к нагрузке. Чем, очевидно, будет шире и длиннее лента, тем большую разность потенциалов можно будет снять с ее торцов и тем больший ток обеспечит элемент.
        Толщина рабочего напыленного слоя должна соответствовать глубине проникновения волны - иначе через неработающие дальние слои потечет обратный ток, напряжение упадет до нуля, и эффект выразится лишь в нагревании элемента конструкции.
Подобная конструкция может являться и антенной для приема радиоволн. Размеры каналов, отверстий между проводящими плоскостями и толщина проводящего слоя будут зависеть от той длины волны, на которую настроена данная система. Размеры отверстий должны быть больше длины волны падающего излучения, иначе оно отразится от конструкции.
      Приемными элементами могут быть плоскости с нанесенным слоем проводника, трубочки из диэлектрика, с напылением изнутри и снаружи тончайшего слоя проводника, штыри на плоскости и т.д. Излучение должно скользить вдоль проводящей поверхности.

Но не только толщина слоя будет способствовать закорачиванию элемента.  Те участки напыления, на которые свет не попал, также будут являться закорачивающими элементами с возвратным током. Похоже, именно это и не дало открыть это явление.

     Однако возможно ведь использование и не металлов. Если эффект давления света проявляется и как возникновение разности потенциалов в веществе при прохождении света, то возможно использовать жидкости, газы с небольшими добавками веществ, улучшающих проводимость (дающих свободные заряды), полупроводников, прозрачных твердых сред, не являющихся полупроводниками, но имеющих достаточно низкое сопротивление (не проблема ввести проводящие примеси). Тогда и вода, и стекло (конечно, с примесями), и прозрачный полимер (с примесями!) могут являться преобразователями солнечной энергии.

       Автор представляет реализацию конструкции так. Тончайшая сетка, прозрачная для лучей - это есть первый электрод. Вторым электродом может быть металлическая пластина или также сетка. Между электродами находится (зажата) рабочая среда. Электроды замыкаются через гальванометр (нагрузку). Свет проходит через первый электрод, выметает из среды электроны в сторону второго электрода (предпочтительно не отражающего, лучше всего тоже сетка). На электродах возникает разница потенциалов. Через гальванометр цепь замыкается, электроны возвращаются на первый электрод, поступают в среду, опять попадают под действие света, переносятся через среду на второй электрод. И процесс пошел.

     И опять одним из неприятных моментов будет закорачивание элемента в тех зонах, куда по каким либо причинам свет не попал. Свет является источником электродвижущей силы, но только на тех участках среды, через которые он прошел. Если же часть элемента затенена, то по этому участку пойдет обратный ток. Но и способ борьбы выглядит достаточно просто: разбиение элемента на множество подэлементов, которые отдельно подключаются к нагрузке через диоды (полупроводник), которые не дадут течь обратному току. Вот теперь и понятно, почему для фотопреобразователей используются полупроводники с п-н переходом! И понятно, почему у других веществ не могли зарегестрировать эффект. А он должен быть у всех без исключения!
Лучше всего, по мнению автора, создать такую конструкцию:
1- получить стекло с полупроводниковыми свойствами (для определенности будем считать, что это электронный полупроводник).
2-внешнюю сетку сделать из металла, имеющего меньшую работу выхода, чем у полупроводника.
3- внутреннюю сетку сделать из металла, имеющего большую работу выхода, чем у полупроводника.
Даже без облучения светом на сетке возникнет разница потенциалов. При облучении светом потечет ток и можно получать энергию. Закорачивания (замыкания) тока через участки, куда не попал свет  произойти не может, потому что создан барьер - разница в работе выходов. По сути, это стекло будет работать как фотодиод.
Уверяю Вас, сейчас и из бутерброда можно сделать полупроводник добавки микроэлементов решают все!
Если учесть, что сейчас миллиарды квадратных метров окон "гуляют" бесполезно, то энергетический эффект от применения окон с полупроводниковыми стеклами будет колоссален. Найти те добавки, которые превращают простое стекло в полупроводник, разработать технологию - и можно озолотиться.

      Кроме того, естественный солнечный свет состоит из целого спектра электромагнитных излучений. Мало того, что это излучение не монохромотично, но оно и не когерентно, и уж совсем плохо, что оно не поляризовано. Поэтому и эффект для напыленных металлических слоев, размещенных параллельно естественному лучу будет мал и трудноизмерим. Выявить его представляется предпочтительным на луче лазера.

Однако для прозрачных проводящих сред с сетками-токосъемами  эффект проявит себя полностью.
       Задача состоит в поиске наиболее приемлемой среды и в выборе материала электродов.
Итак, выводы.


-В проводящих  (или полупроводящих) средах при прохождении электромагнитного излучения возникает разница потенциалов.


-Используя проводник в качестве преобразователя его необходимо размещать вдоль луча распространения волны. Толщина проводящего слоя должна быть меньше длины волны, чтобы избежать закорачивания ЭДС нижележащими слоями, не подвергающимся действию излучения (напыление на диэлектрике). Интересно, но по мнению автора, неперспективно.


-Используя жидкие, газообразные или твердые среды как приемники необходимо организовать съем потенциалов проводниками (сетка, прозрачное проводящее напыление). Очень, очень  перспективно! Стекла, пленки из самых разных полимеров с мизерными добавками веществ, увеличивающих проводимость- выбор колоссален! Для предотвращения обратных токов должны быть применены в схемной решении  и полупроводники.


-Отбор энергии от элемента будет приводить к затуханию (уменьшению энергии) проходящего излучения. Это явление можно использовать в высокоскоростных затворах и для модуляции несущего луча полезным (информативным) сигналом. Собственно, любой существующий фотоэлемент должен обладать таким свойством (гипотеза!). То есть изменяя нагрузку можно добиваться большего или меньшего затухания света.

Стекла небоскреба, изготовленные по предлагаемой методике -сетки токосъемы с двух сторон стекла (можно, конечно и напыление), разбиение на участки и зоны, перекрывание обратных токов п-р переходами (единичными!)- мало удорожит стекло, но обеспечит такое огромное количество энергии при самом малом КПД, что ее вполне хватит для собственных нужд здания. И ведь обеспечат и прохождение света, достаточное для работы.

Удешевление фотопреобразователей (но ведь и приемников других электромагнитных волн!), повышение их КПД есть очень важная проблема.
     Любой успех в этом направлении сулит так много, что стоит тратить средства на проверку и развитие новых идей в этом направлении.