Hvordan processen med at omdanne solenergi til elektrisk energi fungerer

Mange af os er stødt på solceller på den ene eller anden måde. Nogen har brugt eller bruger solpaneler til at generere elektricitet til husholdningsformål, nogen bruger et lille solpanel til at oplade deres yndlingsgadget i marken, og nogen har helt sikkert set en lille solcelle på en mikroberegner. Nogle var endda så heldige at besøge ham solcelleanlæg. 

Men har du nogensinde undret dig over, hvordan processen med at omdanne solenergi til elektricitet fungerer? Hvilket fysisk fænomen ligger til grund for driften af ​​alle disse solceller? Lad os vende os til fysik og forstå generationsprocessen i detaljer.

Helt fra begyndelsen er det indlysende, at energikilden her er sollys eller videnskabeligt set, Elektrisk energi produceres takket være fotoner af solstråling. Disse fotoner kan repræsenteres som en strøm af elementarpartikler, der konstant bevæger sig fra Solen, som hver især har energi, og derfor bærer hele lysstrømmen en eller anden form for energi.

Fra hver kvadratmeter af Solens overflade udsendes der kontinuerligt 63 MW energi i form af stråling! Den maksimale intensitet af denne stråling falder inden for området af det synlige spektrum — bølgelængder fra 400 til 800 nm. 

Så forskere har fundet ud af, at energitætheden af ​​strømmen af ​​sollys i en afstand fra Solen til Jorden er 149600000 kilometer, efter at have passeret gennem atmosfæren og ved at nå overfladen af ​​vores planet, et gennemsnit på omkring 900 watt pr. måler.

Her kan du acceptere denne energi og forsøge at få elektricitet fra den, det vil sige at omdanne energien fra solens lysstrøm til energien fra bevægelige ladede partikler, med andre ord i elektricitet. 

For at omdanne lys til elektricitet skal vi bruge en fotoelektrisk konverter... Sådanne konvertere er meget almindelige, de findes i fri handel, det er de såkaldte solceller - solcelleomformere i form af plader skåret af silicium.

De bedste er monokrystallinske, de har en virkningsgrad på omkring 18%, det vil sige, hvis fotonstrømmen fra solen har en energitæthed på 900 W/m2, så kan du regne med at modtage 160 W elektricitet fra en kvadratmeter af en batteri samlet fra sådanne celler.

Et fænomen kaldet den «fotoelektriske effekt» virker her. Fotoelektrisk effekt eller fotoelektrisk effekt - Dette er fænomenet med emission af elektroner fra et stof (fænomenet med løsrivelse af elektroner fra et stofs atomer) under påvirkning af lys eller anden elektromagnetisk stråling.

Allerede i 1900Max Planck, kvantefysikkens fader, foreslog, at lys udsendes og absorberes af individuelle partikler eller kvanter, som senere, i 1926, kemikeren Gilbert Lewis ville kalde "fotoner".

Hver foton har en energi, der kan bestemmes ved formlen E = hv — Plancks konstant ganget med emissionsfrekvensen.

I overensstemmelse med Max Plancks idé bliver det fænomen, der blev opdaget i 1887 af Hertz og derefter grundigt studeret fra 1888 til 1890 af Stoletov, forklarligt. Alexander Stoletov undersøgte eksperimentelt den fotoelektriske effekt og etablerede tre love for den fotoelektriske effekt (Stoletovs love):

• Ved en konstant spektral sammensætning af elektromagnetisk stråling, der falder på fotokatoden, er mætningsfotostrømmen proportional med katodebestrålingen (ellers: antallet af fotoelektroner slået ud af katoden på 1 s er direkte proportional med strålingsintensiteten).

• Fotoelektronernes maksimale begyndelseshastighed afhænger ikke af intensiteten af ​​det indfaldende lys, men bestemmes kun af dets frekvens.

• For hvert stof er der en rød grænse for den fotoelektriske effekt, det vil sige den mindste frekvens af lys (afhængigt af stoffets kemiske natur og overfladens tilstand), under hvilken fotoeffekten er umulig.

Senere, i 1905, ville Einstein præcisere teorien om den fotoelektriske effekt. Han vil vise, hvordan kvanteteorien om lys og loven om bevarelse og omdannelse af energi perfekt forklarer, hvad der sker, og hvad der observeres. Einstein ville skrive ligningen for den fotoelektriske effekt, som han vandt Nobelprisen for i 1921:

Arbejdsfunktioner Og her er det minimumsarbejde, som en elektron skal udføre for at forlade et atom af et stof.Det andet led er elektronens kinetiske energi efter udgang.

Det vil sige, at fotonen absorberes af atomets elektron, derfor øges den kinetiske energi af elektronen i atomet med mængden af ​​energi af den absorberede foton.

En del af denne energi bruges på at forlade elektronen fra atomet, elektronen forlader atomet og får mulighed for at bevæge sig frit. Og rettede bevægelige elektroner er intet andet end elektrisk strøm eller fotostrøm. Som et resultat kan vi tale om udseendet af EMF i et stof som følge af den fotoelektriske effekt.

Det vil sige, at solbatteriet virker takket være den fotoelektriske effekt, der virker i det. Men hvor bliver de "slåede" elektroner af i solcelleomformeren? Fotovoltaisk omformer eller solcelle eller fotocelle er halvleder, derfor forekommer fotoeffekten i den på en usædvanlig måde, det er en intern fotoeffekt og har endda et særligt navn "ventilfotoeffekt".

Under påvirkning af sollys opstår der en fotoelektrisk effekt i pn-forbindelsen af ​​en halvleder, og en EMF opstår, men elektronerne forlader ikke fotocellen, alt sker i det blokerende lag, når elektronerne forlader en del af kroppen og går videre til en anden en del af det.

Silicium i jordskorpen udgør 30 % af dens masse, hvorfor det bruges overalt. Det ejendommelige ved halvledere generelt ligger i, at de hverken er ledere eller dielektriske stoffer, deres ledningsevne afhænger af koncentrationen af ​​urenheder, på temperaturen og på effekten af ​​stråling.

Båndgabet i en halvleder er et par elektronvolt, og det er kun energiforskellen mellem atomernes øvre valensbåndsniveau, hvorfra elektroner trækkes tilbage, og det nedre ledningsniveau. Silicium har et båndgab på 1,12 eV - lige hvad der er nødvendigt for at absorbere solstråling.

Så pn junction. Doterede siliciumlag i fotocellen danner en pn-forbindelse. Her er der en energibarriere for elektroner, de forlader valensbåndet og bevæger sig kun i én retning, huller bevæger sig i den modsatte retning. Sådan opnås strømmen i solcellen, det vil sige generering af elektricitet fra sollys.

Pn-krydset, udsat for påvirkning af fotoner, tillader ikke ladningsbærerne - elektroner og huller - at bevæge sig på en anden måde end blot én retning, de adskilles og ender på hver sin side af barrieren. Og når den er forbundet til belastningskredsløbet gennem de øvre og nedre elektroder, vil den fotovoltaiske konverter, når den udsættes for sollys, skabe i det eksterne kredsløb jævnstrøm.