Jak działa proces przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną

Wielu z nas spotkało się w taki czy inny sposób z ogniwami słonecznymi. Ktoś używał lub używa paneli słonecznych do generowania energii elektrycznej do celów domowych, ktoś używa małego panelu słonecznego do ładowania swojego ulubionego gadżetu w terenie, a ktoś z pewnością widział małe ogniwo słoneczne w mikrokalkulatorze. Niektórzy mieli nawet to szczęście, że go odwiedzili Elektrownia słoneczna. 

Ale czy zastanawiałeś się kiedyś, jak przebiega proces przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną? Jakie zjawisko fizyczne leży u podstaw działania wszystkich tych ogniw słonecznych? Przejdźmy do fizyki i szczegółowo zrozummy proces generowania.

Od samego początku wiadomo, że źródłem energii jest tutaj światło słoneczne, czyli naukowo rzecz ujmując, Energia elektryczna powstaje dzięki fotonom promieniowania słonecznego. Fotony te można przedstawić jako strumień cząstek elementarnych stale poruszających się od Słońca, z których każdy ma energię, a zatem cały strumień światła niesie jakiś rodzaj energii.

Z każdego metra kwadratowego powierzchni Słońca w sposób ciągły emitowane jest 63 MW energii w postaci promieniowania! Maksymalne natężenie tego promieniowania przypada na zakres widma widzialnego — długości fali od 400 do 800 nm. 

Tak więc naukowcy odkryli, że gęstość energii przepływu światła słonecznego w odległości od Słońca do Ziemi wynosi 149600000 kilometrów, po przejściu przez atmosferę i dotarciu do powierzchni naszej planety średnio około 900 watów na kwadrat metr.

Tutaj możesz zaakceptować tę energię i spróbować uzyskać z niej elektryczność, czyli zamienić energię strumienia światła słonecznego na energię poruszających się naładowanych cząstek, innymi słowy w Elektryczność. 

Do zamiany światła na energię elektryczną potrzebny jest konwerter fotoelektryczny... Takie przetworniki są bardzo powszechne, spotyka się je w wolnym obrocie, są to tzw. ogniwa fotowoltaiczne - przetwornice fotowoltaiczne w postaci płytek wyciętych z krzemu.

Najlepsze są monokrystaliczne, mają sprawność około 18%, czyli jeśli strumień fotonów ze słońca ma gęstość energii 900 W/m2, to można liczyć na otrzymanie 160 W prądu z metra kwadratowego akumulator złożony z takich ogniw.

Działa tu zjawisko zwane „efektem fotoelektrycznym”. Efekt fotoelektryczny lub efekt fotoelektryczny — Jest to zjawisko emisji elektronów z substancji (zjawisko odrywania elektronów od atomów substancji) pod wpływem światła lub innego promieniowania elektromagnetycznego.

Już w 1900 rMax Planck, ojciec fizyki kwantowej, zasugerował, że światło jest emitowane i pochłaniane przez pojedyncze cząstki lub kwanty, które później, w 1926 roku, chemik Gilbert Lewis nazwał „fotonami”.

Każdy foton ma energię, którą można określić wzorem E = hv — stała Plancka pomnożona przez częstotliwość emisji.

Zgodnie z ideą Maxa Plancka zjawisko odkryte w 1887 roku przez Hertza, a następnie gruntownie zbadane w latach 1888-1890 przez Stoletowa, staje się możliwe do wyjaśnienia. Aleksander Stoletow eksperymentalnie zbadał efekt fotoelektryczny i ustalił trzy prawa efektu fotoelektrycznego (prawa Stoletowa):

• Przy stałym składzie widmowym promieniowania elektromagnetycznego padającego na fotokatodę fotoprąd nasycenia jest proporcjonalny do napromieniowania katody (inaczej: liczba fotoelektronów wybitych z katody w ciągu 1 s jest wprost proporcjonalna do natężenia promieniowania).

• Maksymalna prędkość początkowa fotoelektronów nie zależy od natężenia padającego światła, ale zależy tylko od jego częstotliwości.

• Dla każdej substancji istnieje czerwona granica efektu fotoelektrycznego, czyli minimalna częstotliwość światła (zależna od chemicznego charakteru substancji i stanu powierzchni), poniżej której fotoefekt jest niemożliwy.

Później, w 1905 roku, Einstein wyjaśnił teorię efektu fotoelektrycznego. Pokaże, jak kwantowa teoria światła oraz prawo zachowania i konwersji energii doskonale wyjaśniają, co się dzieje i co się obserwuje. Einstein napisałby równanie efektu fotoelektrycznego, za co otrzymał Nagrodę Nobla w 1921 roku:

Funkcje pracy A oto minimalna praca, jaką musi wykonać elektron, aby opuścić atom substancji.Drugi człon to energia kinetyczna elektronu po wyjściu.

Oznacza to, że foton jest absorbowany przez elektron atomu, dlatego energia kinetyczna elektronu w atomie wzrasta o ilość energii pochłoniętego fotonu.

Część tej energii jest zużywana na opuszczenie elektronu z atomu, elektron opuszcza atom i ma możliwość swobodnego poruszania się. A skierowane poruszające się elektrony to nic innego jak prąd elektryczny lub fotoprąd. W rezultacie możemy mówić o pojawieniu się pola elektromagnetycznego w substancji w wyniku efektu fotoelektrycznego.

Czyli bateria słoneczna działa dzięki działającemu w niej efektowi fotoelektrycznemu. Ale gdzie trafiają „wybite” elektrony w konwerterze fotowoltaicznym? Konwerter fotowoltaiczny lub ogniwo słoneczne lub fotokomórka jest półprzewodnikowyw związku z tym efekt foto występuje w nim w nietypowy sposób, jest to wewnętrzny efekt foto, a nawet ma specjalną nazwę „fotoefekt zaworu”.

Pod wpływem światła słonecznego w złączu pn półprzewodnika zachodzi zjawisko fotoelektryczne i pojawia się pole elektromagnetyczne, ale elektrony nie opuszczają fotokomórki, wszystko dzieje się w warstwie blokującej, gdy elektrony opuszczają jedną część ciała, przechodząc do drugiej część tego.

Krzem w skorupie ziemskiej stanowi 30% jej masy, dlatego jest używany wszędzie. Specyfika półprzewodników w ogóle polega na tym, że nie są one ani przewodnikami, ani dielektrykami, ich przewodnictwo zależy od stężenia zanieczyszczeń, temperatury i wpływu promieniowania.

Przerwa wzbroniona w półprzewodniku wynosi kilka elektronowoltów i jest to po prostu różnica energii między górnym poziomem pasma walencyjnego atomów, z których wycofywane są elektrony, a dolnym poziomem przewodzenia. Krzem ma pasmo wzbronione 1,12 eV — dokładnie tyle, ile potrzeba do pochłaniania promieniowania słonecznego.

Więc złącze pn. Domieszkowane warstwy krzemu w fotokomórce tworzą złącze pn. Tutaj jest bariera energetyczna dla elektronów, opuszczają pasmo walencyjne i poruszają się tylko w jednym kierunku, dziury poruszają się w przeciwnym kierunku. W ten sposób uzyskuje się prąd w ogniwie słonecznym, czyli wytwarzanie energii elektrycznej ze światła słonecznego.

Złącze pn, wystawione na działanie fotonów, nie pozwala nośnikom ładunku — elektronom i dziurom — poruszać się w inny sposób niż tylko w jednym kierunku, rozdzielają się i lądują po przeciwnych stronach bariery. A po podłączeniu do obwodu obciążenia przez górną i dolną elektrodę, konwerter fotowoltaiczny pod wpływem światła słonecznego utworzy w obwodzie zewnętrznym prąd elektryczny stały.