Tài liệu: Ánh sáng và Năng lượng

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

89
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Planck ban đầu đưa ra một mối quan hệ cơ sở giữa năng lượng và tần số là một phần lí thuyết của ông về cơ chế mà các chất rắn phát ra bức xạ khi bị nung nóng (bức xạ vật đen).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Ánh sáng và Năng lượng

Ánh sáng và Năng lượng Planck ban đầu đưa ra một mối quan hệ cơ sở giữa năng lượng và tần số là một phần lí thuyết của ông về cơ chế mà các chất rắn phát ra bức xạ khi bị nung nóng (bức xạ vật đen). Định đề nổi tiếng phát biểu rằng năng lượng (E) của photon tới bằng với tần số (f) của ánh sáng nhân với một hằng số (h), ngày nay gọi là hằng số Planck. Mối quan hệ đơn giản đó được biểu diễn như sau: E = hf Hiệu ứng quang điện biểu hiện ở ba dạng: quang điện ngoài, quang dẫn, và quang điện trong, dạng thứ ba là đáng kể nhất đối với sự chuyển hóa năng lượng sáng thành năng lượng điện. Hiệu ứng quang điện ngoài xảy ra khi ánh sáng va chạm lên một bề mặt kim loại chuẩn bị trước, ví dụ cesium, và chuyển hóa đủ năng lượng làm bật electron vào không gian tự do gần kề bề mặt đó. Trong tế bào quang điện, electron bật ra bị hút bởi cực dương, và khi áp vào một hiệu điện thế thì một dòng điện phát sinh sau đó tỉ lệ tuyến tính với cường độ ánh sáng tới lên tế bào. Hiệu ứng quang điện ngoài được mô tả kĩ lưỡng đối với các vùng năng lượng cao, ví dụ như vùng phổ tia X và tia gamma, và các tế bào thuộc loại này thường được sử dụng để phát hiện và nghiên cứu các hiện tượng xảy ra ở những mức năng lượng này. Nhiều chất biểu hiện sự thay đổi đáng kể độ dẫn điện khi bị rọi sáng, và tính chất quang dẫn của chúng có thể được khai thác để đóng mở các dụng cụ điện,
cũng như những ứng dụng khác. Trong các chất có độ dẫn điện cao, như kim loại, sự thay đổi độ dẫn điện có thể không đáng kể. Tuy nhiên, trong chất bán dẫn, sự thay đổi này có thể khá lớn. Vì sự tăng độ dẫn điện tỉ lệ với cường độ ánh sáng chạm tới chất liệu, nên dòng điện là một dòng ngoài sẽ tăng theo cường độ ánh sáng. Loại tế bào này thường được dùng trong những bộ cảm biến ánh sáng để thực hiện những công việc như bật và tắt đèn đường và đèn chiếu sáng trong nhà. Hiệu ứng quang điện trong và pin Mặt Trời Tế bào Mặt Trời chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, hoặc gián tiếp bằng cách trước tiên chuyển nó thành năng lượng nhiệt, hoặc qua một quá trình trực tiếp gọi là hiệu ứng quang điện trong. Các loại tế bào Mặt Trời phổ biến nhất dựa trên hiệu ứng quang điện trong, xảy ra khi ánh sáng rơi vào một chất bán dẫn hai lớp tạo ra một sự chênh lệch điện thế, hay hiệu điện thế, giữa hai lớp. Hiệu điện thế tạo ra trong tế bào có thể điều khiển dòng điện qua một mạch điện ngoài có thể dùng làm dụng cụ cấp điện. Năm 1839, nhà vật lí Pháp Edmund Becquerel phát hiện thấy ánh sáng chiếu vào hai điện cực giống hệt nhau đặt ngập trong một dung dịch dẫn điện yếu sẽ tạo ra một hiệu điện thế. Hiệu ứng này không hiệu quả lắm để tạo ra dòng điện, và vì không có ứng dụng thực tế nào vào lúc đó, nên nó vẫn chỉ là một sự hiếu kì trong nhiều năm. Vài thập kỉ sau, sự quang dẫn của selenium được khám phá bởi Willoughby Smith trong lúc ông đang kiểm tra các chất để phát triển cáp viễn thông dưới nước. Một mô tả của tế bào quang điện selenium đầu tiên được công bố vào năm 1877, và sức hấp dẫn rất lớn thu được từ việc hiệu ứng quang điện trong được quan sát thấy trong chất rắn. Nhà phát minh người Mĩ Charles Fritts đã chế tạo được tế bào Mặt Trời đầu tiên cấu tạo từ bánh xốp selenium vào năm 1883, mặc dù tế bào của ông có hiệu chuyển hóa chỉ khoảng 1-2%. Các ứng dụng thương mại thực dụng và công nghiệp không dễ dàng có mặt ngay, và vào đầu thế kỉ 20 (sau phát minh ra bóng đèn điện), việc phát điện bằng tuabin mới trở nên phổ biến. Sự hứng thú với hiệu ứng quang điện trong nhanh chóng bị lu mờ, và đa số các
nghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung vào việc điều khiển và ứng dụng dòng điện. Sự hiểu biết toàn diện về hiện tượng bao hàm hiệu ứng quang điện trong không có được, mãi cho tới khi thuyết lượng tử được phát triển. Các ứng dụng quang điện trong ban đầu chủ yếu là cảm biến hoặc đo ánh sáng, chứ không phải tạo ra năng lượng điện. Tác nhân cần thiết cho nghiên cứu trong lĩnh vực này đến từ mô tả của Einstein về hiệu ứng quang điện và những thí nghiệm buổi đầu sử dụng tế bào quang điện thô sơ. Tế bào Mặt Trời thực dụng đầu tiên phát sinh từ khám phá ra tính chất quang điện trong chất bán dẫn silicon pha tạp chất. Các môđun Mặt Trời chế tạo bởi Phòng thí nghiệm Bell trong năm 1954 được chế tạo từ các dẫn xuất tương tự silicon, và hoạt động ở hiệu suất gần 6%. Vào năm 1960, tế bào quang điện trong được cải tiến đạt tới hiệu suất 14%, một giá trị đủ ghi nhận để tạo ra các dụng cụ hữu dụng. Ngày nay, những tế bào quang điện trong thông dụng nhất đều sử dụng vài lớp silicon pha tạp, cùng loại chất bán dẫn được sử dụng để sản xuất chip máy tính. Chức năng của chúng phụ thuộc vào chuyển động của các thực thể mang điện giữa các lớp silion xen kẽ. Trong silicon tinh khiết, khi đủ năng lượng nhận vào (ví dụ, bằng cách làm nóng), một số electron trong các nguyên tử silicon có thể thoát ra tự do khỏi liên kết của chúng trong tinh thể, để lại phía sau một lỗ trống trong cấu trúc điện tử của nguyên tử. Các electron tự do này chuyển động ngẫu nhiên qua chất rắn tìm lỗ trống khác để kết hợp và giải phóng năng lượng thừa của chúng. Giữ vai trò các hạt mang điện tự do, các electron có khả năng tạo ra dòng điện, mặc dù trong silicon tinh khiết có quá ít chúng nên mức dòng điện là không đáng kể. Tuy nhiên, silicon có thể được cải thiện bằng cách thêm vào những tạp chất nhất định sẽ làm tăng hoặc là số lượng electron tự do (silicon loại n), hoặc là số lượng lỗ trống (chỗ thiếu electron, còn gọi là silicon loại p). Vì cả lỗ trống và electrond đều lưu động bên trong mạng tinh thể silicon cố định nên chúng có thể kết hợp để
trung hòa lẫn nhau dưới sự tác động của một hiệu điện thế. Silicon pha tạp theo kiểu này có đủ tính nhạy sáng để sử dụng trong các ứng dụng quang điện trong. Trong một tế bào quang điện trong điển hình, hai lớp bán dẫn silicon pha tạp liên kết sít sao với nhau (xem hình 5). Một lớp được cải biến để có quá số electron tự do (gọi là lớp n), còn lớp kia được điều chỉnh để có quá số lỗ trống (lớp p). Khi hai lớp bán dẫn khác nhau được ghép lại tại một ranh giới chung (gọi là tiếp giáp p-n), electron tự do trong lớp n đi vào lớp p nhằm lắp đầy các lỗ trống. Sự kết hợp của electron và lỗ trống tại tiếp giáp p-n tạo ra một rào cản ngăn số electron vượt qua tăng thêm. Khi sự thiếu cân bằng điện đạt tới điều kiện cân bằng, một điện trường ổn định được thiết lập qua ranh giới phân tách hai lớp. Khi ánh sáng có bước sóng (và năng lượng) thích hợp chạm tới tế bào tách lớp và bị hấp thụ, electron được tự do chuyển động về mọi phía. Những electron gần ranh giới (tiếp giáp p-n) có thể băng qua tiếp giáp bởi điện trường cố định. Vì electron có thể dễ dàng băng qua ranh giới, nhưng không thể quay trở lại theo hướng khác (chống lại gradient điện trường) nên sẽ thu được sự bất cân bằng điện tích giữa hai vùng chất bán dẫn. Những electron đi vào lớp n bởi hiệu ứng khu biệt hóa của trường ổn định có xu hướng tự nhiên rời khỏi lớp đó để điều chỉnh sự bất
cân bằng điện tích. Tiến về phía này, các electron sẽ đi theo đường đi khác nếu như có đường đi đó. Bằng cách đặt một dòng điện ngoài mà qua đó các electron có thể quay trở lại lớp kia, thì dòng điện sẽ được tạo ra liên tục chừng nào mà ánh sáng còn chạm tới tế bào Mặt Trời. Trong cấu trúc của tế bào quang điện trong, các lớp tiếp xúc kim loại được đặt vào mặt ngoài của hai lớp bán dẫn, và cung cấp một đường dẫn tới mạch điện ngoài nối hai lớp lại. Kết quả cuối cùng là việc tạo ra công suất điện thu được trực tiếp từ năng lượng ánh sáng. Hiệu điện thế tạo ra bởi tế bào Mặt Trời biến thiên theo bước sóng của ánh sáng tới, nhưng những chiếc tế bào tiêu biểu được chế tạo để sử dụng phổ bước sóng rộng của ánh sáng ban ngày do Mặt Trời cung cấp. Lượng năng lượng tạo ra bởi tế bào phụ thuộc vào bước sóng, với những bước sóng dài phát ra ít điện hơn những bước sóng ngắn. Vì những tế bào hiện có thường thường tạo ra hiệu điện thế chỉ khoảng bằng với tế bào đèn flash, nên cần phải ghép hàng trăm, hoặc thậm chí hàng ngàn tế bào lại để tạo ra đủ điện cho những ứng dụng cần thiết. Một số xe ô tô chạy bằng năng lượng Mặt Trời đã được chế tạo và đã hoạt động thành công ở tốc độ cao qua việc sử dụng một số lượng lớn các tế bào Mặt Trời. Năm 1981, khí cầu Solar Challenger được bọc 16.000 tế bào Mặt Trời, tạo ra công suất hơn 3000 watt, đã bay qua eo biển Anh chỉ điều khiển bằng ánh sáng Mặt Trời. Những kì công gây hứng thú như thế này đã làm tăng thêm việc sử dụng nguồn năng lượng Mặt Trời. Tuy nhiên, việc sử dụng các tế bào Mặt Trời vẫn còn trong thời kì chưa đủ độ chín, và nguồn năng lượng này vẫn chỉ mới giới hạn trong những dụng cụ yêu cầu công suất thấp. Các tế bào quang điện trong hiện nay sử dụng những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực chất bán dẫn silicon pha tạp chuyển hóa trung bình 18% (đạt giá trị lớn nhất vào khoảng 25%) năng lượng ánh sáng tới thành dòng điện, so với 6% đối với những tế bào sản xuất trong thập niên 1950. Ngoài những cải tiến về hiệu suất, người ta cũng nghĩ ra những phương pháp mới để sản xuất những tế bào ít tốn kém hơn so với những tế bào chế tạo từ silicon đơn tinh thể. Những cải tiến như thế bao gồm các màng mỏng silicon tăng trưởng trên những bánh xốp silicon đa
tinh thể ít đắt hơn nhiều. Silicon không kết tinh cũng được thử với một số thành công, khi cho bốc hơi các màng silicon mỏng lên chất nền thủy tinh. Những chất khác ngoài silicon, như gallium arsenide, cadmium telluride, và đồng indium diselenide, đang được nghiên cứu vì những tiềm năng của chúng cho các ứng dụng tế bào Mặt Trời. Gần đây, các màng mỏng titanium dioxide đã được phát triển cho việc chế tạo tế bào quang điện trong tiềm năng. Những màng trong suốt này đặc biệt hấp dẫn vì chúng cũng có thể thực thi nhiệm vụ kép như những cánh cửa sổ. Năng lượng Mặt Trời thụ động và năng lượng Mặt Trời chủ động Mặc dù các tế bào Mặt Trời chuyển hóa trực tiếp ánh sáng thành năng lượng điện, nhưng những phương tiện gián tiếp cũng có thể sử dụng ánh sáng để tạo ra năng lượng dưới dạng nhiệt. Những cơ cấu này có thể chia thành hai loại: các hệ năng lượng Mặt Trời thụ động và chủ động. Các hệ thụ động phụ thuộc vào sự hấp thụ nhiệt mà không liên quan tới chuyển động cơ học. Lấy ví dụ, lò Mặt Trời không gì hơn là một cái hộp cách nhiệt với thủy tinh bao ngoài và bên trong màu đen, có thể đạt tới nhiệt độ quá 100 độ C dưới ánh sáng Mặt Trời mạnh, trực tiếp. Nhiệt độ này có thể dùng để đun nấu thức ăn, và ở những nước đang phát triển hoặc những khu vực có nguồn nhiên liệu hạn chế, đây là một công cụ đơn giản có thể mang lại sự cải thiện đáng kể cho chất lượng cuộc sống. Các hệ năng lượng Mặt Trời chủ động thường dựa trên việc sử dụng ánh sáng Mặt Trời để đun nóng một chất lỏng, sau đó dẫn dòng chất lỏng nóng tới một khu vực khác cần đến nó. Những hệ nước nóng quy mô nhỏ đáp ứng được nhu cầu nước tắm và giặt giũ ở một nơi trên thế giới. Những dụng cụ đơn giản cấu tạo gồm ống dẫn nước màu đen kẹp giữa các đĩa thủy tinh, và được cách nhiệt để gom góp càng nhiều nhiệt càng tốt. Các hệ chủ động quy mô lớn sử dụng các tia gương để hội tụ ánh sáng vào một máy thu trung tâm, có thể là một nồi đun tạo ra hơi nước làm quay tuabin. Những trạm phát điện Mặt Trời sử dụng vài trăm, hoặc vài ngàn chiếc gương parabol có thể tạo ra đủ hơi nước từ dòng nước bơm qua máy thu để phát ra hàng chục megawatt điện trong hàng giờ liền vào ban ngày có nắng. Sự chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành nhiên liệu cháy – Hydrogen
Mặc dù năng lượng Mặt Trời tồn tại thuộc dạng nguồn vô tận, có sẵn, không phải mua bán (và không độc), nhưng sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng từ Mặt Trời có liên quan tới hàng loạt vấn đề giới hạn khắt khe những ứng dụng có hiệu quả. Trường hợp đáng thèm muốn nhất sẽ là việc nghĩ ra một cơ chế chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành dạng chắc chắn và di động có thể dễ dàng truyền tải đi tới những nơi xa. Nhiều nỗ lực nghiên cứu đang nhắm tới việc sử dụng năng lượng Mặt Trời tập trung để thu được nhiệt độ cao cần thiết điều khiển các phản ứng hóa học khác nhau, thường sử dụng chất xúc tác hóa học để tạo ra những kết hợp khác nhau của nhiên liệu khí có thể dễ dàng tích trữ và chuyên chờ. Một số khả năng hiện đang hứa hẹn, nhưng đa số các nhà chuyên môn trong lĩnh vực chuyển hóa năng lượng đều đồng ý rằng nhiên liệu cuối cùng lấy từ sự chuyển hóa năng lượng Mặt Trời chính là hydrogen. Nhu cầu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu hiện đang tràn ngập. Hydrogen phân tử cấu tạo từ nguyên tố nhẹ nhất trong vũ trụ, và có thể dễ dàng tích trữ và vận chuyển. Hơn nữa, hydrogen có thể lấy từ nước với oxygen là sản phẩm duy nhất. Khi hydrogen cháy, nó kết hợp với oxygen trong không khí tạo ra nước trở lại, do đó có thể tái tạo nguồn vật liệu. Điều quan trọng nhất là trong suốt chu trình giải phóng năng lượng ở dạng có thể sử dụng được, không có bước trung gian nào sinh ra những chất độc đáng kể. Cũng như Mặt Trời tiếp tục tạo ra năng lượng ánh sáng của nó, nguồn hydrogen là vô tận. Hiện nay, hydrogen được sử dụng chủ yếu là nhiên liệu tên lửa (dưới dạng các tế bào nhiên liệu xúc tác như minh họa trong hình 6) và là thành phần của một số quá trình công nghệ hóa học. Tuy nhiên, với những cải tiến thu được gần đây, nguyên tố nhỏ nhất này có thể sẽ đáp ứng mọi nhu cầu về điện và vận chuyển của loài người.
Mặc dù hydrogen có thể sản xuất trực tiếp từ nước, nhưng yêu cầu phải cấp một số năng lượng vào để thực hiện việc tách nó khỏi oxygen. Một phương pháp điều khiển phản ứng đó là sử dụng dòng điện trong một quá trình gọi là điện phân, và ánh sáng Mặt Trời có thể được sử dụng để phát ra dòng điện cho sự chuyển hóa đó. Sự điện phân bao hàm một phản ứng oxy hóa khử, trong đó dòng điện truyền qua một cặp điện cực trong nước, sinh ra chất khí hydrogen và oxygen ở hai điện cực. Một hướng khả dĩ khác cho việc sản xuất hydrogen là tập trung ánh sáng Mặt Trời ở nhiệt độ đủ cao để gây ra sự phân li nhiệt của nước thành các thành phần oxygen và hydrogen của nó, sau đó có thể tách chúng ra. Cuối cùng, một phương pháp tách nước tinh vi hơn nữa làm phát sinh phân tử hydrogen thật đáng thèm khát. Một kĩ thuật mà từ đó sự phân tích thu được là khai thác năng lượng Mặt Trời qua các phản ứng hóa học theo kiểu tương tự như quá trình quang hợp sử dụng bởi cây xanh và vi khuẩn. Khi chúng phơi ra trước ánh sáng Mặt Trời, thực vật chứa chlorophyll màu xanh liên tục tách các phân tử nước, giải phóng oxygen và kết hợp hydrogen với carbon dioxide tạo ra đường.
Nếu phần đầu của quá trình này, hoặc một quá trình tương tự, có thể mô phỏng lại, thì sẽ thu được nguồn cung cấp hydrogen vô tận, điều khiển bằng nguồn năng lượng Mặt Trời. Một cố gắng quan trọng nữa là tập trung phát triển sự quang hợp nhân tạo, ở mức độ cơ bản, có thể mô tả là sự phân tích điện tích khử quang tại mặt phân cách giới hạn phân tử. Một trong những mục tiêu nhiều tham vọng nhất của nghiên cứu này là phát triển các enzym điều khiển bằng ánh sáng, và cả điện tử học ở quy mô phân tử, bao gồm sự chuyển tải các hạt mang điện đáp ứng lại ánh sáng và hoạt động hóa học. Một đối tượng khác của nghiên cứu này là việc sản xuất các chất theo công nghệ sinh học, như các enzym và sắc tố. Trong những năm gần đây, vi khuẩn và các sinh vật tương tự làm thoái hóa dầu đã được sử dụng để khắc phục các vụ tràn dầu. Hiện nay, các nhà khoa học đang cố gắng hoàn thiện phương pháp sử dụng sinh vật sống và sinh trưởng nhờ năng lượng Mặt Trời cho những mục đích đa dạng thuộc công nghệ sinh học, ví dụ như tẩy sạch các nguồn cấp nước bị ô nhiễm. Dưới những điều kiện nhất định, tảo có thể bị khử mất chuỗi quang hợp bình thường của chúng ở một giai đoạn nhất định và sản sinh một lượng lớn hydrogen. Bằng cách ngăn cản các tế bào khỏi nhiên liệu trữ cho sự cháy lúc thông thường, tảo có thể bị buộc phải kích hoạt một lộ trình trao đổi chất khác mang đến kết quả là việc sản sinh ra lượng đáng kể hydrogen. Khám phá này làm tăng thêm hi vọng rằng một ngày nào đó nhiên liệu hydrogen có thể sản xuất từ ánh sáng Mặt Trời và nước thông qua quá trình quang hợp bằng các phức hợp quang hóa quy mô lớn. Những nghiên cứu gần đây cho thấy vi khuẩn đại dương chứa sắc tố hấp thụ ánh sáng proteorhodopsin, cho phép chúng chuyển hóa ánh sáng Mặt Trời thành năng lượng tế bào mà không phụ thuộc chlorophyll. Khám phá này làm tăng thêm khả năng sử dụng các vi khuẩn dễ thao tác, như E.coli, trong máy phát năng lượng điều khiển bằng ánh sáng có hàng loạt ứng dụng trong cả vật lí học và khoa học về sự sống.