Kuidas toimub päikeseenergia elektrienergiaks muundamise protsess

Paljud meist on ühel või teisel viisil päikesepatareidega kokku puutunud. Keegi on kasutanud või kasutab päikesepaneele majapidamises elektri tootmiseks, keegi kasutab väikest päikesepaneeli oma lemmikvidina laadimiseks põllul ja kindlasti on keegi näinud väikest päikesepatarei mikrokalkulaatoril. Mõnel oli isegi õnn teda külastada päikeseelektrijaam. 

Kuid kas olete kunagi mõelnud, kuidas toimib päikeseenergia elektrienergiaks muutmise protsess? Milline füüsikaline nähtus on kõigi nende päikesepatareide töö aluseks? Pöördume füüsika poole ja mõistame genereerimisprotsessi üksikasjalikult.

Algusest peale on ilmne, et siin on energiaallikaks päikesevalgus või teaduslikult öeldes Elektrienergia toodetakse tänu päikesekiirguse footonitele. Neid footoneid saab kujutada Päikeselt pidevalt liikuvate elementaarosakeste voona, millest igaühel on energiat ja seetõttu kannab kogu valgusvoog mingisugust energiat.

Päikese pinna igalt ruutmeetrilt eraldub kiirgusena pidevalt 63 MW energiat! Selle kiirguse maksimaalne intensiivsus langeb nähtava spektri vahemikku — lainepikkustel 400 kuni 800 nm. 

Niisiis on teadlased leidnud, et päikesevalguse voolu energiatihedus Päikesest Maale on 149600000 kilomeetrit pärast atmosfääri läbimist ja meie planeedi pinnale jõudmisel keskmiselt umbes 900 vatti ruutmeetri kohta. meeter.

Siin saab seda energiat vastu võtta ja püüda saada sealt elektrit ehk muuta päikese valgusvoo energia liikuvate laetud osakeste energiaks ehk teisisõnu elektrit. 

Valguse muundamiseks elektriks vajame fotomuundurit... Sellised muundurid on väga levinud, neid leidub vabakaubanduses, need on nn päikesepatareid - fotogalvaanilised muundurid ränist lõigatud plaatide kujul.

Parimad on monokristallilised, nende kasutegur on umbes 18%, see tähendab, et kui päikesest lähtuva footonivoolu energiatihedus on 900 W / m2, siis võite arvestada 160 W elektrienergia saamisega ruutmeetrilt. sellistest elementidest kokku pandud aku.

Siin töötab nähtus, mida nimetatakse "fotoelektriliseks efektiks". Fotoelektriline efekt ehk fotoelektriline efekt — see on nähtus, mille käigus eraldub ainest elektronid (elektronide eraldumine aine aatomitest) valguse või muu elektromagnetilise kiirguse mõjul.

Juba 1900. aastalKvantfüüsika isa Max Planck väitis, et valgust kiirgavad ja neelavad üksikud osakesed ehk kvantid, mida hiljem, 1926. aastal nimetas keemik Gilbert Lewis "footoniteks".

Igal footonil on energia, mida saab määrata valemiga E = hv — Plancki konstant korrutatuna emissiooni sagedusega.

Max Plancki idee kohaselt muutub seletatavaks nähtus, mille avastas 1887. aastal Hertz ja mida seejärel uuris põhjalikult aastatel 1888–1890 Stoletov. Aleksander Stoletov uuris eksperimentaalselt fotoelektrilist efekti ja kehtestas kolm fotoelektrilise efekti seadust (Stoletovi seadused):

• Fotokatoodile langeva elektromagnetilise kiirguse konstantse spektraalse koostise korral on küllastusfotovool võrdeline katoodi kiirgusega (muidu: katoodist 1 s jooksul välja löövate fotoelektronide arv on otseselt võrdeline kiirguse intensiivsusega).

• Fotoelektronide maksimaalne algkiirus ei sõltu langeva valguse intensiivsusest, vaid selle määrab ainult selle sagedus.

• Igal ainel on fotoelektrilise efekti punane piir, st valguse minimaalne sagedus (olenevalt aine keemilisest olemusest ja pinna seisundist), millest allpool on fotoefekt võimatu.

Hiljem, 1905. aastal, täpsustas Einstein fotoelektrilise efekti teooriat. Ta näitab, kuidas valguse kvantteooria ning energia jäävuse ja muundamise seadus suurepäraselt seletavad seda, mis juhtub ja mida vaadeldakse. Einstein kirjutas fotoelektrilise efekti võrrandi, mille eest ta võitis 1921. aastal Nobeli preemia:

Tööfunktsioonid Ja siin on minimaalne töö, mida elektron peab tegema, et aine aatomist lahkuda.Teine liige on elektroni kineetiline energia pärast väljumist.

See tähendab, et footon neeldub aatomi elektronis, mistõttu elektroni kineetiline energia aatomis suureneb neeldunud footoni energia hulga võrra.

Osa sellest energiast kulub elektroni lahkumisele aatomist, elektron lahkub aatomist ja saab võimaluse vabalt liikuda. Ja suunatud liikuvad elektronid pole midagi muud kui elektrivool või fotovool. Selle tulemusena saame rääkida EMF-i ilmnemisest aines fotoelektrilise efekti tulemusena.

See tähendab, et päikesepatarei töötab tänu selles töötavale fotoelektrilisele efektile. Aga kuhu lähevad "välja löödud" elektronid fotogalvaanilises muunduris? Fotogalvaaniline muundur ehk päikesepatarei või fotoelement on pooljuht, seetõttu ilmneb fotoefekt selles ebatavalisel viisil, see on sisemine fotoefekt ja sellel on isegi spetsiaalne nimi "klapi fotoefekt".

Päikesevalguse mõjul tekib pooljuhi pn-siirdes fotoelektriline efekt ja tekib EMF, kuid elektronid ei lahku fotoelemendist, kõik toimub blokeerivas kihis, kui elektronid lahkuvad ühest kehaosast, siirdudes teise osa sellest.

Maakoores sisalduv räni moodustab 30% selle massist, mistõttu seda kasutatakse kõikjal. Pooljuhtide eripära üldiselt seisneb selles, et nad ei ole juhid ega dielektrikud, nende juhtivus sõltub lisandite kontsentratsioonist, temperatuurist ja kiirguse mõjust.

Pooljuhi ribalaius on paar elektronvolti ja see on lihtsalt energia erinevus aatomite ülemise valentsriba taseme vahel, kust elektronid eemaldatakse, ja alumise juhtivuse taseme vahel. Räni ribalaius on 1,12 eV – just see, mida on vaja päikesekiirguse neelamiseks.

Seega pn-ristmik. Legeeritud ränikihid fotoelemendis moodustavad pn-siirde. Siin on elektronide jaoks energiabarjäär, nad lahkuvad valentsribast ja liiguvad ainult ühes suunas, augud liiguvad vastupidises suunas. Nii saadakse päikesepatarei vool ehk päikesevalgusest elektri tootmine.

Footonite toimele avatud pn-siire ei lase laengukandjatel — elektronidel ja aukudel — liikuda muul viisil kui ainult ühes suunas, need eralduvad ja satuvad tõkke vastaskülgedele. Ja kui see on ühendatud koormusahelaga ülemise ja alumise elektroodi kaudu, tekitab fotogalvaaniline muundur päikesevalguse käes välises vooluringis. otsene elektrivool.