Ako funguje proces premeny slnečnej energie na elektrickú energiu

So solárnymi článkami sa tak či onak stretli mnohí z nás. Niekto používal alebo používa solárne panely na výrobu elektriny pre domáce účely, niekto používa malý solárny panel na nabíjanie svojho obľúbeného zariadenia v teréne a niekto určite videl malý solárny článok na mikrokalkulačke. Niektorí mali to šťastie, že ho navštívili solárna elektráreň. 

Zamysleli ste sa však niekedy nad tým, ako prebieha proces premeny slnečnej energie na elektrickú? Aký fyzikálny jav je základom fungovania všetkých týchto solárnych článkov? Obráťme sa na fyziku a podrobne pochopme proces generovania.

Od samého začiatku je zrejmé, že zdrojom energie je tu slnečné svetlo alebo vedecky povedané, Elektrická energia vzniká vďaka fotónom slnečného žiarenia. Tieto fotóny môžu byť reprezentované ako prúd elementárnych častíc neustále sa pohybujúcich od Slnka, z ktorých každá má energiu, a preto celý svetelný prúd nesie nejaký druh energie.

Z každého štvorcového metra povrchu Slnka sa nepretržite vyžaruje 63 MW energie vo forme žiarenia! Maximálna intenzita tohto žiarenia spadá do oblasti viditeľného spektra — vlnové dĺžky od 400 do 800 nm. 

Vedci teda zistili, že hustota energie toku slnečného svetla vo vzdialenosti od Slnka k Zemi je 1 496 000 000 kilometrov, po prechode atmosférou a po dosiahnutí povrchu našej planéty je v priemere asi 900 wattov na štvorec. meter.

Tu môžete túto energiu prijať a pokúsiť sa z nej získať elektrinu, teda premeniť energiu svetelného toku slnka na energiu pohybujúcich sa nabitých častíc, inými slovami, v elektriny. 

Na premenu svetla na elektrinu potrebujeme fotoelektrický konvertor... Takéto konvertory sú veľmi bežné, nachádzajú sa vo voľnom obchode, sú to takzvané solárne články - fotovoltaické konvertory v podobe platní vyrezaných z kremíka.

Najlepšie sú monokryštalické, majú účinnosť okolo 18%, to znamená, že ak má tok fotónov zo slnka hustotu energie 900 W/m2, tak môžete počítať s príjmom 160 W elektriny zo štvorcového metra batérie zostavené z takýchto článkov.

Funguje tu fenomén nazývaný «fotoelektrický efekt». Fotoelektrický efekt alebo fotoelektrický efekt — Ide o jav emisie elektrónov z látky (fenomén oddeľovania elektrónov od atómov látky) pod vplyvom svetla alebo iného elektromagnetického žiarenia.

Už v roku 1900Max Planck, otec kvantovej fyziky, navrhol, že svetlo vyžarujú a absorbujú jednotlivé častice alebo kvantá, ktoré neskôr, v roku 1926, chemik Gilbert Lewis nazval „fotóny“.

Každý fotón má energiu, ktorú možno určiť podľa vzorca E = hv — Planckova konštanta vynásobená frekvenciou emisie.

V súlade s myšlienkou Maxa Plancka sa jav, ktorý objavil v roku 1887 Hertz a potom v rokoch 1888 až 1890 dôkladne študoval Stoletov, stal vysvetliteľným. Alexander Stoletov experimentálne študoval fotoelektrický jav a stanovil tri zákony fotoelektrického javu (Stoletovove zákony):

• Pri konštantnom spektrálnom zložení elektromagnetického žiarenia dopadajúceho na fotokatódu je saturačný fotoprúd úmerný ožiareniu katódy (inak: počet fotoelektrónov vyrazených z katódy za 1 s je priamo úmerný intenzite žiarenia).

• Maximálna počiatočná rýchlosť fotoelektrónov nezávisí od intenzity dopadajúceho svetla, ale je určená iba jeho frekvenciou.

• Pre každú látku existuje červený limit fotoelektrického javu, teda minimálna frekvencia svetla (v závislosti od chemickej povahy látky a stavu povrchu), pod ktorou je fotoefekt nemožný.

Neskôr, v roku 1905, Einstein objasnil teóriu fotoelektrického javu. Ukáže, ako kvantová teória svetla a zákon zachovania a premeny energie dokonale vysvetľujú, čo sa deje a čo sa pozoruje. Einstein napísal rovnicu pre fotoelektrický jav, za ktorý získal v roku 1921 Nobelovu cenu:

Pracovné funkcie A tu je minimálna práca, ktorú musí elektrón vykonať, aby opustil atóm látky.Druhým pojmom je kinetická energia elektrónu po výstupe.

To znamená, že fotón je absorbovaný elektrónom atómu, preto sa kinetická energia elektrónu v atóme zvyšuje o množstvo energie absorbovaného fotónu.

Časť tejto energie sa minie na opustenie elektrónu z atómu, elektrón opustí atóm a dostane možnosť voľne sa pohybovať. A usmernené pohybujúce sa elektróny nie sú nič iné ako elektrický prúd alebo fotoprúd. V dôsledku toho môžeme hovoriť o výskyte EMF v látke v dôsledku fotoelektrického efektu.

To znamená, že solárna batéria funguje vďaka fotoelektrickému efektu, ktorý v nej pôsobí. Kam sa však podeli „vyradené“ elektróny vo fotovoltaickom meniči? Fotovoltaický konvertor alebo solárny článok alebo fotočlánok je polovodič, preto sa v ňom fotoefekt vyskytuje nezvyčajným spôsobom, je to vnútorný fotoefekt, a má dokonca zvláštny názov „ventilový fotoefekt“.

Vplyvom slnečného žiarenia dochádza k fotoelektrickému javu v pn prechode polovodiča a vzniká EMF, ale elektróny neopúšťajú fotobunku, všetko sa deje v blokovacej vrstve, keď elektróny opúšťajú jednu časť tela a prechádzajú do druhej. jej súčasťou.

Kremík v zemskej kôre tvorí 30 % jej hmotnosti, preto sa všade používa. Zvláštnosť polovodičov vo všeobecnosti spočíva v tom, že nie sú vodičmi ani dielektrikami, ich vodivosť závisí od koncentrácie nečistôt, od teploty a od účinku žiarenia.

Bandgap v polovodiči je niekoľko elektrónvoltov a je to len energetický rozdiel medzi úrovňou horného valenčného pásma atómov, z ktorej sú elektróny stiahnuté, a dolnou úrovňou vodivosti. Kremík má bandgap 1,12 eV – presne toľko, koľko je potrebné na absorbovanie slnečného žiarenia.

Takže pn križovatka. Vrstvy dopovaného kremíka vo fotobunke tvoria pn spojenie. Tu je pre elektróny energetická bariéra, opúšťajú valenčný pás a pohybujú sa len jedným smerom, diery sa pohybujú opačným smerom. Takto sa získava prúd v solárnom článku, teda generovanie elektriny zo slnečného žiarenia.

Pn prechod, vystavený pôsobeniu fotónov, neumožňuje nosičom náboja – elektrónom a dieram – pohybovať sa iným spôsobom ako len jedným smerom, oddeľujú sa a končia na opačných stranách bariéry. A keď je fotovoltaický menič pripojený k záťažovému obvodu cez hornú a dolnú elektródu, pri vystavení slnečnému žiareniu vytvorí vo vonkajšom obvode jednosmerný elektrický prúd.