Hvordan prosessen med å konvertere solenergi til elektrisk energi fungerer

Mange av oss har møtt solceller på en eller annen måte. Noen har brukt eller bruker solcellepaneler til å generere strøm til husholdningsformål, noen bruker et lite solcellepanel til å lade favorittdingsen sin i felten, og noen har helt sikkert sett en liten solcelle på en mikrokalkulator. Noen var til og med så heldige å besøke ham solkraftverk. 

Men har du noen gang lurt på hvordan prosessen med å konvertere solenergi til elektrisitet fungerer? Hvilket fysisk fenomen ligger til grunn for driften av alle disse solcellene? La oss gå til fysikk og forstå generasjonsprosessen i detalj.

Helt fra begynnelsen er det åpenbart at energikilden her er sollys eller, vitenskapelig sett, Elektrisk energi produseres takket være fotoner av solstråling. Disse fotonene kan representeres som en strøm av elementærpartikler som konstant beveger seg fra solen, som hver har energi, og derfor bærer hele lysstrømmen en slags energi.

Fra hver kvadratmeter av Solens overflate sendes det kontinuerlig ut 63 MW energi i form av stråling! Den maksimale intensiteten til denne strålingen faller på området til det synlige spekteret — bølgelengder fra 400 til 800 nm. 

Så, forskere har funnet ut at energitettheten til strømmen av sollys i en avstand fra solen til jorden er 149600000 kilometer, etter å ha passert gjennom atmosfæren, og ved å nå overflaten av planeten vår, et gjennomsnitt på omtrent 900 watt per kvadrat. måler.

Her kan du akseptere denne energien og prøve å få elektrisitet fra den, det vil si å konvertere energien til solas lysstrøm til energien til bevegelige ladede partikler, med andre ord, i elektrisitet. 

For å omdanne lys til elektrisitet trenger vi en fotoelektrisk omformer... Slike omformere er veldig vanlige, de finnes i fri handel, dette er de såkalte solcellene - solcelleomformere i form av plater skåret av silisium.

De beste er monokrystallinske, de har en effektivitet på omtrent 18%, det vil si at hvis fotonstrømmen fra solen har en energitetthet på 900 W / m2, kan du regne med å motta 160 W elektrisitet fra en kvadratmeter av en batteri satt sammen fra slike celler.

Et fenomen kalt «fotoelektrisk effekt» fungerer her. Fotoelektrisk effekt eller fotoelektrisk effekt - Dette er fenomenet emisjon av elektroner fra et stoff (fenomenet med løsrivelse av elektroner fra atomene til et stoff) under påvirkning av lys eller annen elektromagnetisk stråling.

Allerede i 1900Max Planck, kvantefysikkens far, foreslo at lys sendes ut og absorberes av individuelle partikler, eller kvanter, som senere, i 1926, kjemikeren Gilbert Lewis ville kalle «fotoner».

Hvert foton har en energi som kan bestemmes av formelen E = hv — Plancks konstant multiplisert med emisjonsfrekvensen.

I samsvar med Max Plancks idé blir fenomenet oppdaget i 1887 av Hertz og deretter grundig studert fra 1888 til 1890 av Stoletov forklarlig. Alexander Stoletov studerte eksperimentelt den fotoelektriske effekten og etablerte tre lover for den fotoelektriske effekten (Stoletovs lover):

• Ved en konstant spektral sammensetning av elektromagnetisk stråling som faller på fotokatoden, er metningsfotostrømmen proporsjonal med katodebestrålingen (ellers: antall fotoelektroner som slås ut av katoden på 1 s er direkte proporsjonal med strålingsintensiteten).

• Den maksimale starthastigheten til fotoelektronene avhenger ikke av intensiteten til det innfallende lyset, men bestemmes kun av dets frekvens.

• For hvert stoff er det en rød grense for den fotoelektriske effekten, det vil si minimumsfrekvensen av lys (avhengig av stoffets kjemiske natur og overflatens tilstand) under hvilken fotoeffekten er umulig.

Senere, i 1905, ville Einstein klargjøre teorien om den fotoelektriske effekten. Han vil vise hvordan kvanteteorien om lys og loven om bevaring og konvertering av energi perfekt forklarer hva som skjer og hva som observeres. Einstein ville skrive ligningen for den fotoelektriske effekten, som han vant Nobelprisen for i 1921:

Arbeidsfunksjoner Og her er minimumsarbeidet et elektron må gjøre for å forlate et atom av et stoff.Det andre leddet er den kinetiske energien til elektronet etter utgang.

Det vil si at fotonet absorberes av elektronet til atomet, derfor øker den kinetiske energien til elektronet i atomet med energimengden til det absorberte fotonet.

En del av denne energien brukes på å forlate elektronet fra atomet, elektronet forlater atomet og får muligheten til å bevege seg fritt. Og rettede bevegelige elektroner er ikke annet enn elektrisk strøm eller fotostrøm. Som et resultat kan vi snakke om utseendet til EMF i et stoff som et resultat av den fotoelektriske effekten.

Det vil si at solbatteriet fungerer takket være den fotoelektriske effekten som virker i det. Men hvor blir de "utslåtte" elektronene av i solcelleomformeren? Fotovoltaisk omformer eller solcelle eller fotocelle er halvleder, derfor oppstår fotoeffekten i den på en uvanlig måte, det er en intern fotoeffekt, og har til og med et spesielt navn "ventilfotoeffekt".

Under påvirkning av sollys oppstår en fotoelektrisk effekt i pn-krysset til en halvleder og en EMF dukker opp, men elektronene forlater ikke fotocellen, alt skjer i det blokkerende laget når elektronene forlater en del av kroppen og går over til en annen en del av det.

Silisium i jordskorpen utgjør 30 % av massen, og det er derfor det brukes overalt. Det særegne til halvledere generelt ligger i det faktum at de verken er ledere eller dielektriske stoffer, deres ledningsevne avhenger av konsentrasjonen av urenheter, temperatur og effekten av stråling.

Båndgapet i en halvleder er noen få elektronvolt, og det er bare energiforskjellen mellom det øvre valensbåndnivået til atomene, som elektronene trekkes ut fra, og det nedre ledningsnivået. Silisium har et båndgap på 1,12 eV – akkurat det som trengs for å absorbere solstråling.

Så pn veikryss. Dopet silisiumlag i fotocellen danner et pn-kryss. Her er det en energibarriere for elektroner, de forlater valensbåndet og beveger seg kun i én retning, hull beveger seg i motsatt retning. Slik oppnås strømmen i solcellen, det vil si generering av elektrisitet fra sollys.

Pn-krysset, utsatt for påvirkning av fotoner, lar ikke ladningsbærerne – elektroner og hull – bevege seg på en annen måte enn bare én retning, de skiller seg og ender opp på motsatte sider av barrieren. Og når den er koblet til belastningskretsen gjennom øvre og nedre elektrode, vil fotovoltaisk omformer, når den utsettes for sollys, skape i den eksterne kretsen likestrøm.