Kaip vyksta saulės energijos pavertimo elektros energija procesas

Daugelis iš mūsų vienaip ar kitaip yra susidūrę su saulės elementais. Kažkas naudojo arba naudoja saulės baterijas elektrai gaminti buities reikmėms, kažkas naudoja nedidelę saulės bateriją, kad įkrautų savo mėgstamą įtaisą lauke, o kažkas tikrai matė nedidelį saulės elementą ant mikro skaičiuotuvo. Kai kuriems netgi pasisekė jį aplankyti saulės elektrinė. 

Bet ar kada susimąstėte, kaip veikia saulės energijos pavertimo elektra procesas? Koks fizinis reiškinys yra visų šių saulės elementų veikimo pagrindas? Pereikime prie fizikos ir išsamiai supraskime generavimo procesą.

Nuo pat pradžių akivaizdu, kad energijos šaltinis čia yra saulės šviesa arba, moksliškai kalbant, Elektros energija susidaro dėl saulės spinduliuotės fotonų. Šiuos fotonus galima pavaizduoti kaip elementariųjų dalelių, nuolat judančių nuo Saulės, srautą, kurių kiekviena turi energijos, todėl visas šviesos srautas neša tam tikrą energiją.

Iš kiekvieno Saulės paviršiaus kvadratinio metro spinduliuotės pavidalu nuolat išspinduliuojama 63 MW energijos! Didžiausias šios spinduliuotės intensyvumas patenka į matomo spektro diapazoną - bangos ilgiai nuo 400 iki 800 nm. 

Taigi, mokslininkai nustatė, kad saulės šviesos srauto energijos tankis atstumu nuo Saulės iki Žemės yra 149600000 kilometrų, praplaukus atmosferą, o pasiekus mūsų planetos paviršių, vidutiniškai apie 900 vatų kvadratiniame kvadrate. metras.

Čia galite priimti šią energiją ir pabandyti gauti iš jos elektros energiją, tai yra paversti saulės šviesos srauto energiją į judančių įkrautų dalelių energiją, kitaip tariant, elektros. 

Šviesai paversti elektra reikia fotoelektrinio keitiklio... Tokie keitikliai labai paplitę, sutinkami laisvojoje prekyboje, tai vadinamieji saulės elementai - fotovoltiniai keitikliai iš silicio išpjautų plokščių pavidalo.

Geriausi yra monokristaliniai, jų efektyvumas yra apie 18%, tai yra, jei fotonų srauto iš saulės energijos tankis yra 900 W / m2, galite tikėtis, kad gausite 160 W elektros iš kvadratinio metro. baterija, surinkta iš tokių elementų.

Čia veikia reiškinys, vadinamas „fotoelektriniu efektu“. Fotoelektrinis efektas arba fotoelektrinis efektas – tai elektronų emisijos iš medžiagos reiškinys (elektronų atsiskyrimo nuo medžiagos atomų reiškinys), veikiant šviesai ar kitai elektromagnetinei spinduliuotei.

Jau 1900 mMaxas Planckas, kvantinės fizikos tėvas, teigė, kad šviesą skleidžia ir sugeria atskiros dalelės arba kvantai, kuriuos vėliau, 1926 m., chemikas Gilbertas Lewisas pavadino „fotonais“.

Kiekvienas fotonas turi energiją, kurią galima nustatyti pagal formulę E = hv – Planko konstanta, padauginta iš emisijos dažnio.

Remiantis Maxo Plancko idėja, reiškinys, kurį 1887 m. atrado Hertzas, o vėliau nuo 1888 iki 1890 m. nuodugniai ištyrė Stoletovas, tampa paaiškinamas. Aleksandras Stoletovas eksperimentiškai ištyrė fotoelektrinį efektą ir nustatė tris fotoelektrinio efekto dėsnius (Stoletovo dėsniai):

• Esant pastoviai ant fotokatodo krentančios elektromagnetinės spinduliuotės spektrinei kompozicijai, soties fotosrovė yra proporcinga katodo apšvitinimui (kitaip: per 1 s iš katodo išmuštų fotoelektronų skaičius yra tiesiogiai proporcingas spinduliavimo intensyvumui).

• Didžiausias pradinis fotoelektronų greitis nepriklauso nuo krintančios šviesos intensyvumo, o nustatomas tik pagal jos dažnį.

• Kiekvienai medžiagai yra nustatyta raudona fotoelektrinio efekto riba, tai yra minimalus šviesos dažnis (priklausomai nuo cheminės medžiagos prigimties ir paviršiaus būklės), žemiau kurio fotoefektas neįmanomas.

Vėliau, 1905 m., Einšteinas paaiškino fotoelektrinio efekto teoriją. Jis parodys, kaip kvantinė šviesos teorija ir energijos tvermės bei konversijos dėsnis puikiai paaiškina, kas vyksta ir kas stebima. Einšteinas parašys fotoelektrinio efekto, už kurį 1921 m. laimėjo Nobelio premiją, lygtį:

Darbo funkcijos Ir čia yra minimalus darbas, kurį turi atlikti elektronas, kad paliktų medžiagos atomą.Antrasis narys yra elektrono kinetinė energija po išėjimo.

Tai yra, fotoną sugeria atomo elektronas, todėl elektrono kinetinė energija atome didėja absorbuoto fotono energijos kiekiu.

Dalis šios energijos išleidžiama elektronui paliekant nuo atomo, elektronas palieka atomą ir gauna galimybę laisvai judėti. O nukreipti judantys elektronai yra ne kas kita, kaip elektros srovė arba foto srovė. Dėl to galime kalbėti apie EML atsiradimą medžiagoje dėl fotoelektrinio efekto.

Tai yra, saulės baterija veikia dėl joje veikiančio fotoelektrinio efekto. Bet kur dingsta „išmušti“ elektronai fotovoltiniame keitiklyje? Fotovoltinis keitiklis arba saulės elementas arba fotoelementas yra puslaidininkis, todėl foto efektas jame atsiranda neįprastai, tai vidinis foto efektas, ir netgi turi specialų pavadinimą „vožtuvo foto efektas“.

Veikiant saulės šviesai puslaidininkio pn sandūroje atsiranda fotoelektrinis efektas ir atsiranda EML, bet elektronai nepalieka fotoelemento, viskas vyksta blokuojančiame sluoksnyje, kai elektronai palieka vieną kūno dalį, pereina į kitą. jo dalis.

Silicis žemės plutoje sudaro 30% jo masės, todėl jis naudojamas visur. Puslaidininkių ypatumas apskritai slypi tame, kad jie nėra nei laidininkai, nei dielektrikai, jų laidumas priklauso nuo priemaišų koncentracijos, nuo temperatūros ir nuo radiacijos poveikio.

Puslaidininkio juostos tarpas yra keli elektronų voltai, ir tai tik energijos skirtumas tarp atomų viršutinės valentinės juostos lygio, iš kurio pašalinami elektronai, ir apatinio laidumo lygio. Silicio pralaidumas yra 1,12 eV – kaip tik tiek, kiek reikia saulės spinduliuotei sugerti.

Taigi pn sandūra. Legiruoti silicio sluoksniai fotoelemente sudaro pn sandūrą. Čia yra energetinis barjeras elektronams, jie palieka valentinę juostą ir juda tik viena kryptimi, skylės juda priešinga kryptimi. Taip gaunama srovė saulės elemente, tai yra elektros energijos gamyba iš saulės šviesos.

Pn sandūra, veikiama fotonų, neleidžia krūvininkams – elektronams ir skylėms – judėti ne tik viena kryptimi, jie atsiskiria ir atsiduria priešingose ​​barjero pusėse. O prijungus prie apkrovos grandinės per viršutinį ir apatinį elektrodus, fotovoltinis keitiklis, veikiamas saulės spindulių, sukurs išorinėje grandinėje nuolatinė elektros srovė.