Kako poteka proces pretvorbe sončne energije v električno

Mnogi od nas smo se tako ali drugače srečali s sončnimi celicami. Nekdo je uporabljal ali uporablja sončne celice za pridobivanje električne energije za gospodinjske namene, nekdo uporablja majhno sončno celico za polnjenje svojega najljubšega pripomočka na terenu, nekdo pa je zagotovo videl majhno sončno celico na mikrokalkulatorju. Nekateri so imeli celo srečo, da so ga obiskali sončna elektrarna. 

Toda ali ste se kdaj vprašali, kako poteka proces pretvorbe sončne energije v električno? Kateri fizikalni pojav je osnova za delovanje vseh teh sončnih celic? Obrnimo se k fiziki in podrobno razumemo proces generiranja.

Že od vsega začetka je očitno, da je vir energije tukaj sončna svetloba ali, znanstveno rečeno, Električna energija nastane zaradi fotonov sončnega sevanja. Te fotone lahko predstavimo kot tok osnovnih delcev, ki se nenehno premikajo od Sonca, od katerih ima vsak energijo, zato celoten svetlobni tok nosi neko vrsto energije.

Z vsakega kvadratnega metra Sončeve površine se neprekinjeno oddaja 63 MW energije v obliki sevanja! Največja intenzivnost tega sevanja pade na območje vidnega spektra — valovne dolžine od 400 do 800 nm. 

Tako so znanstveniki ugotovili, da je energijska gostota toka sončne svetlobe na razdalji od Sonca do Zemlje 149600000 kilometrov, po prehodu skozi atmosfero in ob dosegu površine našega planeta v povprečju približno 900 vatov na kvadrat. meter.

Tukaj lahko sprejmete to energijo in poskušate iz nje pridobiti elektriko, torej pretvoriti energijo svetlobnega toka sonca v energijo gibajočih se nabitih delcev, z drugimi besedami, v elektrika. 

Za pretvorbo svetlobe v elektriko potrebujemo fotoelektrični pretvornik... Takšni pretvorniki so zelo pogosti, najdemo jih v prosti trgovini, to so tako imenovane sončne celice - fotovoltaični pretvorniki v obliki plošč, izrezanih iz silicija.

Najboljši so monokristalni, imajo približno 18-odstotni izkoristek, to je, če ima fotonski tok iz sonca energijsko gostoto 900 W / m2, potem lahko računate na 160 W električne energije iz kvadratnega metra površine. baterija, sestavljena iz takih celic.

Tukaj deluje pojav, imenovan "fotoelektrični učinek". Fotoelektrični učinek ali fotoelektrični učinek — To je pojav oddajanja elektronov iz snovi (pojav odcepitve elektronov od atomov snovi) pod vplivom svetlobe ali drugega elektromagnetnega sevanja.

Že leta 1900Max Planck, oče kvantne fizike, je predlagal, da svetlobo oddajajo in absorbirajo posamezni delci ali kvanti, ki jih bo kasneje, leta 1926, kemik Gilbert Lewis imenoval "fotoni".

Vsak foton ima energijo, ki jo je mogoče določiti s formulo E = hv — Planckova konstanta, pomnožena s frekvenco emisije.

Po zamisli Maxa Plancka postane razložljiv pojav, ki ga je leta 1887 odkril Hertz in nato od leta 1888 do 1890 temeljito proučeval Stoletov. Aleksander Stoletov je eksperimentalno preučeval fotoelektrični učinek in ugotovil tri zakone fotoelektričnega učinka (Stoletovi zakoni):

• Pri konstantni spektralni sestavi elektromagnetnega sevanja, ki pada na fotokatodo, je nasičeni fototok sorazmeren z obsevanjem katode (sicer: število fotoelektronov, izbitih iz katode v 1 s, je premo sorazmerno z jakostjo sevanja).

• Največja začetna hitrost fotoelektronov ni odvisna od jakosti vpadne svetlobe, temveč jo določa le njena frekvenca.

• Za vsako snov obstaja rdeča meja fotoelektričnega učinka, to je minimalna frekvenca svetlobe (odvisna od kemijske narave snovi in ​​stanja površine), pod katero fotoefekt ni mogoč.

Kasneje, leta 1905, je Einstein razjasnil teorijo fotoelektričnega učinka. Pokazal bo, kako kvantna teorija svetlobe ter zakon o ohranitvi in ​​pretvorbi energije odlično pojasnjujeta, kaj se dogaja in kaj opazujemo. Einstein bi napisal enačbo za fotoelektrični učinek, za katerega je leta 1921 prejel Nobelovo nagrado:

Delovne funkcije In tukaj je minimalno delo, ki ga mora opraviti elektron, da zapusti atom snovi.Drugi člen je kinetična energija elektrona po izstopu.

To pomeni, da foton absorbira elektron atoma, zato se kinetična energija elektrona v atomu poveča za količino energije absorbiranega fotona.

Del te energije se porabi za odhod elektrona iz atoma, elektron zapusti atom in dobi možnost prostega gibanja. In usmerjeni gibajoči se elektroni niso nič drugega kot električni tok ali fototok. Posledično lahko govorimo o pojavu EMF v snovi kot posledica fotoelektričnega učinka.

To pomeni, da sončna baterija deluje zahvaljujoč fotoelektričnemu učinku, ki deluje v njej. Kam pa gredo »izbiti« elektroni v fotovoltaičnem pretvorniku? Fotovoltaični pretvornik ali sončna celica ali fotocelica je polprevodnik, zato se fotoefekt v njem pojavlja na nenavaden način, gre za interni fotoefekt in ima celo posebno ime "ventilni fotoefekt".

Pod vplivom sončne svetlobe pride do fotoelektričnega učinka v pn spoju polprevodnika in pojavi se EMF, vendar elektroni ne zapustijo fotocelice, vse se zgodi v blokirni plasti, ko elektroni zapustijo en del telesa in preidejo v drugega del tega.

Silicij v zemeljski skorji predstavlja 30% njene mase, zato se uporablja povsod. Posebnost polprevodnikov na splošno je v tem, da niso ne prevodniki ne dielektriki, njihova prevodnost je odvisna od koncentracije primesi, temperature in delovanja sevanja.

Razmik med pasovi v polprevodniku je nekaj elektronvoltov in je samo razlika v energiji med zgornjim nivojem valenčnega pasu atomov, iz katerega se elektroni umaknejo, in spodnjim nivojem prevodnosti. Silicij ima pasovno razdaljo 1,12 eV – ravno toliko, kolikor je potrebno za absorpcijo sončnega sevanja.

Torej pn spoj. Dopirane plasti silicija v fotocelici tvorijo pn spoj. Tu je energijska ovira za elektrone, ti zapustijo valenčni pas in se premikajo samo v eno smer, luknje pa se premikajo v nasprotno smer. Tako se pridobi tok v sončni celici, torej proizvodnja električne energije iz sončne svetlobe.

Pn-spoj, izpostavljen delovanju fotonov, ne dovoli, da bi se nosilci naboja — elektroni in luknje — premikali drugače kot le v eno smer, ločijo se in končajo na nasprotnih straneh pregrade. Ko je fotonapetostni pretvornik povezan z obremenitvenim krogom prek zgornje in spodnje elektrode, bo fotonapetostni pretvornik, ko je izpostavljen sončni svetlobi, ustvaril v zunanjem krogu enosmerni električni tok.