Глеб Анфилов - Что такое полупроводник

{88}

{89}

Вы просыпаетесь весенним утром. Но не птичье пение вас разбудило. Виновник — маленький братишка. Он сидит в своей постели, размахивает руками и что-то недовольно лепечет. Вы чувствуете: он вот-вот расплачется. В чем же дело? Кто обидел малыша?

Веселый солнечный лучик!

Наивный малыш пытается схватить его в руку, но золотистая стрелка всякий раз ускользает из пальцев. Разве не досадно?!

Утешая братишку, вы могли бы сказать ему, что и сами в его возрасте безрезультатно занимались тем же. Пожалуй, все наши читатели испробовали это в раннем детстве. И всегда упрямый лучик ускользал — не ухватишь его, как ни старайся!

А ведь затея малыша совсем не пустая.

Лучистая энергия в неимоверно огромных количествах льется на землю. За двое суток солнце посылает нам столько тепла и света, сколько способны дать при сжигании все земные запасы угля, нефти, газа, сланцев,  {91}  торфа. Но мы еще почти не умеем использовать энергию солнца. Ведь подавляющая доля его лучей ускользает: отразившись от поверхности земли, уходит от нас и теряется в пустоте мировых глубин.

Неужели так и не сбудется детская мечта? Неужели человеку никогда не удастся поймать солнечный свет, удержать его, заставить работать?

Уже удалось! И помогли в этом те же полупроводники.

Представьте себе щит величиной с крышку небольшого обеденного столика. На щите рядами уложены маленькие темные пластинки. Размером и формой они напоминают железнодорожные билеты. Пластинки выполнены из широко распространенного полупроводника — кремния. Вот, как их делали.

Солнечная батарея.

Сначала кремний тщательнейшим образом очистили от примесей, потом из расплава получили крупные кристаллы и разрезали их на тонкие прямоугольные пластинки. На одной из поверхностей каждой пластинки специальной обработкой создали тончайший (в сто раз тоньше человеческого волоса) слой бора. Обработку вели с таким расчетом, чтобы атомы бора неглубоко проникли и в толщу полупроводника. Сверху и снизу покрыли пластинки металлическими пленками, от них сделали выводы наружу, заключили пластинки в пластмассовые оправки и,  {92}  смонтировав на щите, соединили проводами. Что же получилось? Батарея вентильных фотоэлементов.

Наверху (там, где есть примесь бора) кремний имеет дырочную проводимость, ниже — электронную. Между дырочной и электронной областями обязательно возникает запирающий слой.

Мы выносим батарею на яркий солнечный свет и ставим ее так, чтобы лучи падали отвесно. Как и следовало ожидать, она сразу же дает электрический ток. Но какой! 120 ватт электроэнергии с квадратного метра освещенной поверхности. Это немалая мощность. Ее достаточно для питания трех электродвигателей швейных машин.

Чтобы получить такую мощность, скажем, от бензинового моторчика, пришлось бы сжигать каждые три часа стакан горючего. На паросиловой установке за то же время сгорело бы полкилограмма каменного угля, А здесь энергия извлечена из неуловимого и невесомого — из солнечного света.

Солнечная батарея, о которой вы читали, до 11 процентов энергии падающих на нее световых лучей преобразует в электрическую. Но это не предел. Есть основание полагать, что те же кремниевые фотоэлементы способны превращать в электроэнергию 22 процента световой энергии!

Имеются сообщения о вентильном фотоэлементе из другого полупроводника — сульфида кадмия — с коэффициентом полезного действия 18 процентов. По подсчетам изобретателей, пластина такого фотоэлемента шириной 1,2 метра, длиной 4,5 метра и толщиной в вафлю, уложенная на крыше небольшого дома, снабдит обитателей здания энергией на все бытовые нужды: освещение, отопление, электроплиты, пылесосы, холодильники, радио, телевидение. Днем чудесная полупроводниковая  {93}  крыша-электростанция будет набирать энергию, посылая ток в электросеть здания и в электрические копилки — аккумуляторы, которые послужат источником электроэнергии в темное время суток.

Сейчас ведутся исследования ряда полупроводников, способных преобразовывать в электроэнергию большую долю света, чем кремний. Таково, например, соединение сурьмы с алюминием. Ученые ожидают высокого коэффициента полезного действия и от солнечных батарей, созданных на основе соединения сурьмы с индием. Они будут особенно выгодны для освоения инфракрасного излучения солнца, которое, как известно, составляет примерно половину всей лучистой энергии светила.

Теоретически возможно создание вентильных фотоэлементов с коэффициентом полезного действия 40—50 процентов.

Каким целям будет служить световая энергетика будущего?

Вероятнее всего, на первых порах это будет энергетика малых форм. Солнечные батареи появятся в колхозах и МТС, геологи и туристы станут брать их в экспедиции, моряки оборудуют ими свои суда.

Вот мечта одного из героев научно-фантастической повести В. Немцова «Осколок солнца».

«Представьте себе, Лидия Николаевна, — рассказывал он, прикалывая к чертежной доске бумажный лист и рисуя на нем толстым синим карандашом. — Это вот вагончик трактористов. Видали, наверное, такие? Трактористы привезли с собой большой рулон специально обработанной ткани или пленки, на которой напечатаны — да, да, напечатаны! — фотоэнергетические ячейки со всеми необходимыми соединениями. Рулон этот разматывается прямо на земле, и — пожалуйста! — походная электростанция готова к работе. Она заряжает аккумуляторы, питает радиостанцию, электроприборы, все, что хотите. Такую пленку можно расстелить возле избушки лесника, бакенщика, высокогорной обсерватории, у зимовщиков Арктики, где угодно. Из этой ткани можно шить палатки. Вот она, свернутая, за плечами альпиниста... Поймите, что это значит, когда мы получим миллионы метров фотоэнергетической ткани! В магазинах ее будут резать ножницами, как простую клеенку. Заплатили за десять метров — и у вас уже собственная электростанция, без всяких бензиновых движков и генераторов. Разве это не чудо?»

{94}

Солнечный луч можно заставить подавать воду для орошения. Чем беспощаднее будет жечь солнце, иссушая почву и посевы, тем энергичнее станут работать электронасосы,  {95}  соединенные со щитами солнечных батарей. Солнце и согреет землю и снабдит, ее животворной влагой. Ведь вода есть почти везде, нужно только поднять ее, направить на поля.

От солнечных батарей будут действовать электродвигатели кранов, лебедок, подъемников. На строительные площадки не потребуется тянуть линии электропередач.

Недавно в Швейцарии и других странах начали делать настольные часы, которые заводятся светом. Пробыв несколько часов на свету (даже слабом, комнатном), часы идут много суток, не требуя завода. Заводной механизм приводится в движение электродвигателем, который черпает энергию от аккумуляторов, связанных с чутким вентильным фотоэлементом.

В 1955 году американские инженеры сделали попытку использовать солнечную энергию для движения модели своеобразного электрического автомобиля. На крышу экипажа, которому конструкторы дали название «солнце-мобиля», уложили двенадцать вентильных фотоэлементов. Они заряжали энергией аккумуляторы. А оттуда электрический ток шел на питание электродвигателя. Опыт удался. Модель поехала без всякого горючего, только потому, что на нее светило солнце!

Может показаться, что этот любопытный экипаж, который смахивает на пресловутый «вечный двигатель», не более, как технический курьез, игрушка. И верно, он слабосилен — даже в самое солнечное время мощность, собираемая им «с неба», раз в тридцать меньше мощности «Москвича». Поэтому даже в будущем, когда вентильные фотоэлементы достигнут высокого совершенства, солнце-мобили едва ли найдут сколько-нибудь значительное применение как полноценное транспортное средство. С обычными автомобилями они конкурировать не смогут. Однако солнечная батарея станет отлично служить аварийным источником энергии. Если в автомашине израсходуется бензин, до заправочной колонки она «дотянет на солнечных  {96}  лучах», улавливаемых щитом вентильных фотоэлементов, уложенным на крыше автомобиля.

В колхозах, на заводах, на вокзалах солнечные повозки удобно будет применять для перевозки небольших грузов. Ведь две — три лошадиные силы — это в конце концов не так уж мало. К тому же во время простоев энергия может накапливаться в аккумуляторах. Солнце-мобиль будет набирать запас мощности и во время стоянок. Эта чудесная «электрическая лошадь» будущего станет весь день «питаться светом»!