Cum funcționează procesul de transformare a energiei solare în energie electrică

Mulți dintre noi am întâlnit celule solare într-un fel sau altul. Cineva a folosit sau folosește panouri solare pentru a genera energie electrică în scopuri casnice, cineva folosește un mic panou solar pentru a-și încărca gadgetul preferat pe teren și cineva a văzut cu siguranță o mică celulă solară pe un microcalculator. Unii au avut chiar norocul să-l viziteze centrala solara. 

Dar te-ai întrebat vreodată cum funcționează procesul de transformare a energiei solare în electricitate? Ce fenomen fizic stă la baza funcționării tuturor acestor celule solare? Să ne întoarcem la fizică și să înțelegem procesul de generare în detaliu.

De la bun început, este evident că sursa de energie aici este lumina soarelui sau, științific vorbind, Energie electrica este produs datorită fotonilor radiației solare. Acești fotoni pot fi reprezentați ca un flux de particule elementare care se mișcă constant de la Soare, fiecare dintre ele având energie și, prin urmare, întregul flux de lumină transportă un fel de energie.

Din fiecare metru pătrat al suprafeței Soarelui, 63 MW de energie sunt emise continuu sub formă de radiație! Intensitatea maximă a acestei radiații se încadrează în domeniul spectrului vizibil - lungimi de undă de la 400 la 800 nm. 

Deci, oamenii de știință au descoperit că densitatea energetică a fluxului de lumină solară la o distanță de la Soare la Pământ este de 149600000 de kilometri, după trecerea prin atmosferă și la atingerea suprafeței planetei noastre, o medie de aproximativ 900 de wați pe pătrat. metru.

Aici puteți accepta această energie și încerca să obțineți electricitate din ea, adică să convertiți energia fluxului de lumină al soarelui în energia particulelor încărcate în mișcare, cu alte cuvinte, în electricitate. 

Pentru a transforma lumina în electricitate, avem nevoie de un convertor fotoelectric... Astfel de convertoare sunt foarte des întâlnite, se găsesc în comerțul liber, acestea sunt așa-numitele celule solare - convertoare fotovoltaice sub formă de plăci tăiate din siliciu.

Cele mai bune sunt monocristaline, au o eficiență de aproximativ 18%, adică dacă fluxul de fotoni de la soare are o densitate de energie de 900 W/m2, atunci poți conta că primești 160 W de energie electrică dintr-un metru pătrat de un baterie asamblată din astfel de celule.

Aici funcționează un fenomen numit „efect fotoelectric”. Efect fotoelectric sau efect fotoelectric — Acesta este fenomenul de emisie de electroni dintr-o substanță (fenomenul de detașare a electronilor de atomii unei substanțe) sub influența luminii sau a altor radiații electromagnetice.

Deja în 1900Max Planck, părintele fizicii cuantice, a sugerat că lumina este emisă și absorbită de particule individuale, sau cuante, pe care mai târziu, în 1926, chimistul Gilbert Lewis le-a numit „fotoni”.

Fiecare foton are o energie care poate fi determinată prin formula E = hv — constanta lui Planck înmulțită cu frecvența de emisie.

În conformitate cu ideea lui Max Planck, fenomenul descoperit în 1887 de Hertz și apoi studiat temeinic între 1888 și 1890 de Stoletov devine explicabil. Alexander Stoletov a studiat experimental efectul fotoelectric și a stabilit trei legi ale efectului fotoelectric (legile lui Stoletov):

• La o compoziție spectrală constantă a radiației electromagnetice care cade pe fotocatod, fotocurentul de saturație este proporțional cu iradierea catodului (în caz contrar: numărul de fotoelectroni scoși din catod în 1 s este direct proporțional cu intensitatea radiației).

• Viteza maximă inițială a fotoelectronilor nu depinde de intensitatea luminii incidente, ci este determinată doar de frecvența acesteia.

• Pentru fiecare substanță există o limită roșie a efectului fotoelectric, adică frecvența minimă a luminii (în funcție de natura chimică a substanței și de starea suprafeței) sub care fotoefectul este imposibil.

Mai târziu, în 1905, Einstein avea să clarifice teoria efectului fotoelectric. El va arăta cum teoria cuantică a luminii și legea conservării și conversiei energiei explică perfect ceea ce se întâmplă și ce se observă. Einstein ar scrie ecuația efectului fotoelectric, pentru care a câștigat Premiul Nobel în 1921:

Funcții de lucru Și aici este munca minimă pe care trebuie să o facă un electron pentru a părăsi un atom al unei substanțe.Al doilea termen este energia cinetică a electronului după ieșire.

Adică fotonul este absorbit de electronul atomului, prin urmare energia cinetică a electronului din atom crește cu cantitatea de energie a fotonului absorbit.

O parte din această energie este cheltuită pentru a părăsi electronul din atom, electronul părăsește atomul și are ocazia de a se mișca liber. Și electronii în mișcare direcționați nu sunt altceva decât curent electric sau fotocurent. Ca urmare, putem vorbi despre apariția EMF într-o substanță ca urmare a efectului fotoelectric.

Adică, bateria solară funcționează datorită efectului fotoelectric care funcționează în ea. Dar unde se duc electronii „eliminați” în convertorul fotovoltaic? Convertor fotovoltaic sau celula solară sau fotocelula este semiconductor, prin urmare, efectul foto apare într-un mod neobișnuit, este un efect foto intern și chiar are un nume special „efect foto supapă”.

Sub influența luminii solare, în joncțiunea pn a unui semiconductor apare un efect fotoelectric și apare un EMF, dar electronii nu părăsesc fotocelula, totul se întâmplă în stratul de blocare când electronii părăsesc o parte a corpului, trecând în alta. o parte din ea.

Siliciul din scoarța terestră reprezintă 30% din masa sa, motiv pentru care este folosit peste tot. Particularitatea semiconductorilor în general constă în faptul că nu sunt nici conductori, nici dielectrici, conductivitatea lor depinde de concentrația de impurități, de temperatură și de efectul radiațiilor.

Intervalul de bandă dintr-un semiconductor este de câțiva electroni volți și este doar diferența de energie dintre nivelul superior al benzii de valență a atomilor, din care sunt retrași electronii, și nivelul inferior de conducție. Siliciul are o bandă interzisă de 1,12 eV - exact ceea ce este necesar pentru a absorbi radiația solară.

Deci pn joncțiune. Straturile de siliciu dopate din fotocelula formează o joncțiune pn. Aici există o barieră energetică pentru electroni, ei părăsesc banda de valență și se mișcă într-o singură direcție, găurile se deplasează în direcția opusă. Așa se obține curentul din celula solară, adică generarea de electricitate din lumina soarelui.

Joncțiunea pn, expusă acțiunii fotonilor, nu permite purtătorilor de sarcină — electroni și găuri — să se miște într-un alt mod decât într-o singură direcție, ei se separă și ajung pe părți opuse ale barierei. Și atunci când este conectat la circuitul de sarcină prin electrozii superiori și inferiori, convertorul fotovoltaic, atunci când este expus la lumina soarelui, va crea în circuitul extern. curent electric continuu.