Есть у меня, скажем так, «маленькая слабость» — устройства и полезные методы, генерируемые буквально из «подножного корма» и сегодня мы поговорим об одном из подобных: можно ли создать солнечную батарею «практически из ничего»? 

Как выясняется — вполне себе можно, и даже более того: этот эффект довольно давно известен: превращение обычной меди — в полупроводник! 

В основе солнечных батарей находится эксплуатация фотоэлектрического эффекта, который впервые был обнаружен французским физиком Эдмоном Беккерелем ещё в 1839 году, когда в ходе своих экспериментов, погружая в кислый, щелочной или нейтральный раствор электроды из платины или золота (покрытые хлоридом или бромидом серебра) и освещая их светом, он обнаружил появление электрического тока. 

После ознакомления общественности с этим открытием, начались исследования, где благодаря трудам ряда учёных удалось обнаружить наличие этого эффекта у многих сочетаний веществ, и, например, в 1904 году, немецкий физик Вильгельм Галльвахс, исследуя сочетание меди и её оксида, обнаружил, что они являются фотоэлектрическими — то есть, наблюдается протекание электрического тока, под воздействием света*.

*В дальнейшем это открытие привело даже к появлению класса так называемых «купроксных выпрямителей» — то есть, первых прообразов современных диодов, только на базе медно-оксидного полупроводникового перехода.

Любопытно, что если обратиться к работам некоторых современных исследователей истории развития купроксных выпрямителей, то мы можем узнать для себя некоторые любопытные детали, чтобы так сказать «намотать на ус» (если бы скажем, нам вдруг пришла в голову идея сделать простейшие самодельные диоды! Хммм, а ведь это, однако, мысль! :-) ):

• Например, на 4-5 странице указанной работы («it should also be noted that the electrical properties…») мы можем узнать, что электрические свойства получаемых выпрямителей сильно зависят от того, как производилась их термообработка, в частности, охлаждение:

  • Медленное охлаждение нагретой меди на воздухе — даёт возможность получить выпрямитель с относительно высоким обратным напряжением пробоя;

  • Тогда как быстрое охлаждение, например, с помощью закалки в воде — позволяет получить выпрямители с относительно низким прямым и обратным сопротивлением, которые, однако, не могут выдерживать то же напряжение, как и выпрямители, прошедшие медленное охлаждение, но зато они могут выдерживать большую силу проходящего тока (что логично — сопротивление то относительно маленькое!).

Как мы видим, даже по описанию выше, — сам факт получения оксида меди подразумевает в самом распространённом случае нагрев, и наиболее типичная установка (и логика действий) для демонстрации подобного эффекта выглядит следующим образом: пластина (провод и т.д.) из меди нагревается с помощью любого источника тепла, таким образом, чтобы она покрылась красноватым налётом оксида — это и есть оксид меди (I) — полупроводник, который и нужен для опытов.

Если посмотреть на экспериментаторов в сети, то можно там заметить, что большинство перебарщивает с нагревом и медь окисляется до оксида меди (II) — чёрного чешуйчатого налёта на поверхности, который не нужен и легко отваливается (т.е. для дела нужен только красноватый налёт, который крепко удерживается на поверхности).

В дальнейшем, эту пластину (провод и т.д.) — с целью демонстрации фотоэлектрического эффекта (так мы сконцентрировались именно на нём, а не на эффекте выпрямления) погружают в токопроводящую среду — обычно подсоленную воду, куда опускается второй электрод (например, такая же пластина, только из чистой меди), подключается нагрузка (например, даже вольтметр) и, теперь, если всю эту установку выставить под свет — то можно будет наблюдать появление электрического тока в сети. 

Я тут нашёл короткое видео, как это выглядит в жизни — думаю, будет интересно:

Если мы обратимся к официальному описанию сути фотоэлектрического эффекта, то мы узнаем, что главный принцип, лежащий в основе этого эффекта заключается в том, что электромагнитное излучение с достаточной энергетикой (проще говоря, свет, с соответствующей длиной волны, к которой наиболее чувствителен данный конкретный полупроводник) попадает на полупроводящий слой — то происходит возбуждение электронов, находящихся в валентной зоне и переход их в зону проводимости, и дальнейший переход в выпрямляющий переход и далее в электрическую цепь.

Я довольно давно отслеживаю разработки в этой области, и знаю, что учёные постоянно работают над увеличением поглощения и, в частности, одним из наиболее интересных направлений является разработка систем, способных поглощать рассеянное излучение, а не только активное прямое световое излучение — которое так любят обычные солнечные батареи!

Одним из наиболее впечатляющих примеров успеха в этой области являются работы швейцарского учёного Михаэля Гретцеля, который стал создавать прозрачные солнечные панели, несколько окрашенные красителем — суть принципа действия которых заключается в том, что стеклянная прозрачная ячейка содержит гель, содержащий краситель и полупроводник — оксид титана (TiO₂) (кстати, запомним его, оочень интересная штука! Об этом ещё будет ниже!), и вся система работает таким образом, что краситель, получая квант света, высвобождает электрон, который подхватывается полупроводником (TiO₂) и уносится в цепь:

Эффективность системы (при рассеянном свете) связана с тем, что свет, проходя сквозь неё, испытывает многократные переотражения, и улавливается даже слабое, рассеянное и непрямое излучение. 

Таким образом, ознакомившись со всем этим, и вернувшись обратно к нашим медно-окисным пластинам, нам станет понятно, почему в наиболее распространённым эксперименте с окунанием этих пластин в токопроводящую жидкость вообще, собственно, используется сама жидкость: по большому счёту, это всего лишь замыкатель цепи! 

То есть, высвобожденный электрон нужно перенести к другому электроду и самый простой способ это сделать — использовать подсоленную воду! Никакой фантастики…

Приходилось как-то видеть любопытное видео на эту тему правда ссылку на него из-за давности лет сейчас не смог найти, где человек создал подобную токогенерирующую систему оригинальным образом — две медные пластины (одна оксидированная, а другая чистая) он просто-напросто положил на берег океана, где набегающая волна постоянно смачивала и связывала их друг с другом через солёный электролит,  и, в то же время, получается что оксидированная пластина всё время была открыта воздействию прямых лучей солнца! Соответственно, подключив вольтметр, он и регистрировал электрический ток!

Красивый получился эксперимент…

Таким образом, понимая основные принципы функционирования — никто не мешает сделать всё то же самое, только используя для переноса электронов некий другой прозрачный, но токопроводящий «агент» вместо воды — например, покрыв поверхность оксида меди прозрачным токопроводящим лаком или оксидом индия-олова (ITO — материал прозрачного электрода для LED-дисплеев) и подключив к этому слою второй электрод… 

Понимаю, что вам, наверняка (так же как и мне) было бы интересно, а, собственно говоря, какой величины токи можно было бы генерировать с применением этого медно-окисного метода: и я тут нашёл кое-какую информацию (см. «the current reaches 12.5 mA at 40% of the sodium chloride solution»), и там же мы узнаём, что площадь электродов составляла 12 см² («copper oxide and normal copper sheets employed easily, they have the same size roughly12cm²…» — слитное написание здесь не ошибка, а дословное цитирование). 

Из чего мы можем видеть, что солнечная батарея на базе водного раствора поваренной соли даёт достаточно малые токи, но, тем не менее, они есть! :-) 

Правда остаётся проблема с постепенным разрушением электродов в соляной среде — поэтому, предпочтительным является переход на второй прозрачный электрод.

Кстати говоря, просмотрев целый ряд научных работ, я заметил там такую любопытную вещь, что многие экспериментаторы, кто наносил второй электрод на поверхность этого оксида меди — напыляли его тонким слоем в вакуумной камере, распыляя в качестве такого электрода, например, золото (его там уходят вообще считанные копейки, ибо тонкий слой) — итого, тонкий слой получается прозрачным, не окисляется со временем и хорошо проводит ток!

Лайфхак, однако… :-) 

Тем не менее, это всё довольно далёкая наука, где несмотря на это, у меня таки есть кое-что «ближе к жизни» для вас! ;-) помните, что чуть выше, я попросил запомнить оксид титана (TiO₂)? 

Приходило ли вам в голову, что это один из самых распространённых полупроводников, который в виде красителя может присутствовать во множестве областей жизни: строительные краски, зубные пасты, пластик, бумага, косметика и даже детская гуашь?! :-) «полупроводник из гуаши» — согласитесь, что звучит недурно?  

Таким образом, мы видим, что при желании, раздобыть оксид титана не составляет какой-либо сложности — причём, даже химически чистого (в виде порошка). 

Остаётся только добавить в порошок оксида титана краситель* (который под воздействием солнечного света и высвобождает электроны, затем захватываемые полупроводником) и нанести сверху прозрачный электрод — в виде напыляемого из малярного пистолета или накатываемого валиком состава (например, PEDOT:PSS или иного решения) — и на выходе имеем электрогенерирующие стены!

*Кстати в качестве такого красителя могут использоваться даже обычные природные красители, а точнее, их сок (как ни странно, хорошо работает гранатовый, см. по ссылке выше: «the efficiency of the prepared pomegranate sensitized solar cell was η = 2.0%») — правда такие красители довольно быстро выгорают на солнце, поэтому это скорее экспериментальный лабораторный подход, но как факт, интересно! 

То есть, не обязательно в качестве красителей использовать какие-то безумно редкие или недоступные вещи…

В любом случае, наличие таких разработок, заставляет задуматься о том, что необычные решения могут быть найдены даже на базе самых доступных компонентов, базируясь на которых можно создавать довольно любопытные вещи… 

_________________________________________________

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.