Hur processen att omvandla solenergi till elektrisk energi fungerar

Många av oss har stött på solceller på ett eller annat sätt. Någon har använt eller använder solpaneler för att generera el för hushållsändamål, någon använder en liten solpanel för att ladda sin favoritpryl på fältet, och någon har säkert sett en liten solcell på en mikroräknare. Några hade till och med turen att besöka honom solkraftverk. 

Men har du någonsin undrat hur processen att omvandla solenergi till el fungerar? Vilket fysiskt fenomen ligger till grund för driften av alla dessa solceller? Låt oss vända oss till fysiken och förstå generationsprocessen i detalj.

Redan från början är det uppenbart att energikällan här är solljus eller, vetenskapligt sett, Elektrisk energi produceras tack vare fotoner av solstrålning. Dessa fotoner kan representeras som en ström av elementarpartiklar som ständigt rör sig från solen, som var och en har energi, och därför bär hela ljusströmmen någon form av energi.

Från varje kvadratmeter av solens yta emitteras kontinuerligt 63 MW energi i form av strålning! Den maximala intensiteten av denna strålning faller inom området för det synliga spektrumet — våglängder från 400 till 800 nm. 

Så forskare har funnit att energitätheten för flödet av solljus på ett avstånd från solen till jorden är 149600000 kilometer, efter att ha passerat genom atmosfären och när de når ytan på vår planet, i genomsnitt cirka 900 watt per kvadrat. meter.

Här kan du acceptera denna energi och försöka få elektricitet från den, det vill säga att omvandla energin från solens ljusflöde till energin från rörliga laddade partiklar, med andra ord, i elektricitet. 

För att omvandla ljus till elektricitet behöver vi en fotoelektrisk omvandlare... Sådana omvandlare är mycket vanliga, de finns i fri handel, det är de så kallade solcellerna - solceller i form av plattor skurna av kisel.

De bästa är monokristallina, de har en verkningsgrad på cirka 18%, det vill säga om fotonflödet från solen har en energitäthet på 900 W / m2, då kan du räkna med att få 160 W el från en kvadratmeter av en batteri monterat från sådana celler.

Ett fenomen som kallas den «fotoelektriska effekten» fungerar här. Fotoelektrisk effekt eller fotoelektrisk effekt — Detta är fenomenet med emission av elektroner från ett ämne (fenomenet att elektroner lossnar från ett ämnes atomer) under inverkan av ljus eller annan elektromagnetisk strålning.

Redan år 1900Max Planck, kvantfysikens fader, föreslog att ljus sänds ut och absorberas av enskilda partiklar, eller kvanta, som senare, 1926, kemisten Gilbert Lewis skulle kalla "fotoner".

Varje foton har en energi som kan bestämmas med formeln E = hv — Plancks konstant multiplicerad med emissionsfrekvensen.

I enlighet med Max Plancks idé blir fenomenet som upptäcktes 1887 av Hertz och sedan grundligt studerat från 1888 till 1890 av Stoletov förklarligt. Alexander Stoletov studerade experimentellt den fotoelektriska effekten och etablerade tre lagar för den fotoelektriska effekten (Stoletovs lagar):

• Vid en konstant spektral sammansättning av elektromagnetisk strålning som faller på fotokatoden, är mättnadsfotoströmmen proportionell mot katodbestrålningen (annars: antalet fotoelektroner som slås ut ur katoden på 1 s är direkt proportionell mot strålningsintensiteten).

• Fotoelektronernas maximala initiala hastighet beror inte på intensiteten hos det infallande ljuset, utan bestäms endast av dess frekvens.

• För varje ämne finns det en röd gräns för den fotoelektriska effekten, det vill säga den lägsta ljusfrekvensen (beroende på ämnets kemiska natur och ytans tillstånd) under vilken fotoeffekten är omöjlig.

Senare, 1905, skulle Einstein klargöra teorin om den fotoelektriska effekten. Han kommer att visa hur ljusets kvantteorin och lagen om bevarande och omvandling av energi perfekt förklarar vad som händer och vad som observeras. Einstein skulle skriva ekvationen för den fotoelektriska effekten, för vilken han vann Nobelpriset 1921:

Arbetsfunktioner Och här är det minsta arbete som en elektron måste göra för att lämna en atom av ett ämne.Den andra termen är elektronens kinetiska energi efter utgång.

Det vill säga, fotonen absorberas av atomens elektron, därför ökar den kinetiska energin hos elektronen i atomen med mängden energi hos den absorberade fotonen.

En del av denna energi går åt till att lämna elektronen från atomen, elektronen lämnar atomen och får möjlighet att röra sig fritt. Och riktade rörliga elektroner är inget annat än elektrisk ström eller fotoström. Som ett resultat kan vi prata om utseendet av EMF i ett ämne som ett resultat av den fotoelektriska effekten.

Det vill säga, solbatteriet fungerar tack vare den fotoelektriska effekten som verkar i det. Men vart tar de "utslagna" elektronerna vägen i solcellsomvandlaren? Fotovoltaisk omvandlare eller solcell eller fotocell är halvledare, därför förekommer fotoeffekten i den på ett ovanligt sätt, det är en intern fotoeffekt och har till och med ett speciellt namn "ventilfotoeffekt".

Under påverkan av solljus uppstår en fotoelektrisk effekt i pn-övergången till en halvledare och en EMF uppträder, men elektronerna lämnar inte fotocellen, allt händer i det blockerande lagret när elektronerna lämnar en del av kroppen och passerar till en annan en del av det.

Kisel i jordskorpan är 30 % av dess massa, varför det används överallt. Det speciella med halvledare i allmänhet ligger i det faktum att de varken är ledare eller dielektrika, deras ledningsförmåga beror på koncentrationen av föroreningar, på temperaturen och på effekten av strålning.

Bandgapet i en halvledare är några få elektronvolt, och det är bara energiskillnaden mellan atomernas övre valensbandsnivå, från vilken elektroner dras ut, och den lägre ledningsnivån. Silicon har ett bandgap på 1,12 eV – precis vad som behövs för att absorbera solstrålning.

Så pn-korsning. Dopade kiselskikt i fotocellen bildar en pn-övergång. Här finns en energibarriär för elektroner, de lämnar valensbandet och rör sig bara i en riktning, hål rör sig i motsatt riktning. Så erhålls strömmen i solcellen, det vill säga generering av elektricitet från solljus.

Pn-övergången, utsatt för inverkan av fotoner, tillåter inte laddningsbärarna – elektroner och hål – att röra sig på ett annat sätt än bara en riktning, de separeras och hamnar på motsatta sidor av barriären. Och när den är ansluten till belastningskretsen genom de övre och nedre elektroderna, kommer fotovoltaikomvandlaren, när den utsätts för solljus, att skapa i den externa kretsen likström.