Bagaimana proses menukar tenaga suria kepada tenaga elektrik berfungsi

Ramai di antara kita telah menemui sel solar dalam satu cara atau yang lain. Seseorang telah menggunakan atau sedang menggunakan panel solar untuk menjana elektrik bagi tujuan isi rumah, seseorang menggunakan panel solar kecil untuk mengecas alat kegemaran mereka di lapangan, dan seseorang pastinya pernah melihat sel solar kecil pada kalkulator mikro. Malah ada yang bernasib baik untuk melawatnya loji tenaga solar. 

Tetapi pernahkah anda terfikir bagaimana proses menukar tenaga suria kepada tenaga elektrik berfungsi? Apakah fenomena fizikal yang mendasari operasi semua sel suria ini? Mari kita beralih kepada fizik dan memahami proses penjanaan secara terperinci.

Dari awal lagi adalah jelas bahawa sumber tenaga di sini adalah cahaya matahari atau, secara saintifik, Tenaga elektrik dihasilkan berkat foton sinaran suria. Foton ini boleh diwakili sebagai aliran zarah asas yang sentiasa bergerak dari Matahari, setiap satunya mempunyai tenaga, dan oleh itu keseluruhan aliran cahaya membawa beberapa jenis tenaga.

Dari setiap meter persegi permukaan Matahari, 63 MW tenaga dipancarkan secara berterusan dalam bentuk sinaran! Keamatan maksimum sinaran ini jatuh pada julat spektrum yang boleh dilihat — panjang gelombang dari 400 hingga 800 nm. 

Jadi, saintis telah mendapati bahawa ketumpatan tenaga aliran cahaya matahari pada jarak dari Matahari ke Bumi ialah 149600000 kilometer, selepas melalui atmosfera, dan apabila mencapai permukaan planet kita, purata kira-kira 900 watt setiap persegi. meter.

Di sini anda boleh menerima tenaga ini dan cuba mendapatkan tenaga elektrik daripadanya, iaitu, untuk menukar tenaga fluks cahaya matahari kepada tenaga zarah bercas yang bergerak, dengan kata lain, dalam elektrik. 

Untuk menukar cahaya kepada elektrik, kita memerlukan penukar fotoelektrik... Penukar sedemikian adalah sangat biasa, mereka ditemui dalam perdagangan bebas, ini adalah sel solar yang dipanggil - penukar fotovoltaik dalam bentuk plat yang dipotong dari silikon.

Yang terbaik adalah monokristalin, mereka mempunyai kecekapan kira-kira 18%, iaitu, jika aliran foton dari matahari mempunyai ketumpatan tenaga 900 W / m2, maka anda boleh mengharapkan untuk menerima 160 W elektrik dari meter persegi a bateri yang dipasang daripada sel tersebut.

Fenomena yang dipanggil «kesan fotoelektrik» berfungsi di sini. Kesan fotoelektrik atau kesan fotoelektrik — Ini ialah fenomena pelepasan elektron daripada bahan (fenomena detasmen elektron daripada atom sesuatu bahan) di bawah pengaruh cahaya atau sinaran elektromagnet lain.

Sudah pada tahun 1900Max Planck, bapa fizik kuantum, mencadangkan bahawa cahaya dipancarkan dan diserap oleh zarah individu, atau quanta, yang kemudiannya, pada tahun 1926, ahli kimia Gilbert Lewis akan memanggil "foton."

Setiap foton mempunyai tenaga yang boleh ditentukan dengan formula E = hv — pemalar Planck didarab dengan kekerapan pancaran.

Selaras dengan idea Max Planck, fenomena yang ditemui pada tahun 1887 oleh Hertz dan kemudian dikaji secara menyeluruh dari tahun 1888 hingga 1890 oleh Stoletov menjadi boleh dijelaskan. Alexander Stoletov secara eksperimen mengkaji kesan fotoelektrik dan menubuhkan tiga undang-undang kesan fotoelektrik (undang-undang Stoletov):

• Pada komposisi spektrum berterusan sinaran elektromagnet yang jatuh pada fotokatod, arus foto tepu adalah berkadar dengan penyinaran katod (jika tidak: bilangan fotoelektron yang tersingkir daripada katod dalam 1 s adalah berkadar terus dengan keamatan sinaran).

• Kelajuan awal maksimum fotoelektron tidak bergantung pada keamatan cahaya kejadian, tetapi hanya ditentukan oleh frekuensinya.

• Bagi setiap bahan terdapat had merah bagi kesan fotoelektrik, iaitu kekerapan minimum cahaya (bergantung kepada sifat kimia bahan dan keadaan permukaan) di bawahnya kesan foto adalah mustahil.

Kemudian, pada tahun 1905, Einstein akan menjelaskan teori kesan fotoelektrik. Dia akan menunjukkan bagaimana teori kuantum cahaya dan undang-undang pemuliharaan dan penukaran tenaga dengan sempurna menerangkan apa yang berlaku dan apa yang diperhatikan. Einstein akan menulis persamaan untuk kesan fotoelektrik, yang mana dia memenangi Hadiah Nobel pada tahun 1921:

Fungsi kerja Dan inilah kerja minimum yang mesti dilakukan oleh elektron untuk meninggalkan atom bahan.Sebutan kedua ialah tenaga kinetik elektron selepas keluar.

Iaitu, foton diserap oleh elektron atom, oleh itu tenaga kinetik elektron dalam atom meningkat dengan jumlah tenaga foton yang diserap.

Sebahagian daripada tenaga ini dibelanjakan untuk meninggalkan elektron daripada atom, elektron meninggalkan atom dan mendapat peluang untuk bergerak bebas. Dan elektron bergerak terarah tidak lebih daripada arus elektrik atau arus foto. Akibatnya, kita boleh bercakap tentang penampilan EMF dalam bahan akibat kesan fotoelektrik.

Iaitu, bateri solar berfungsi terima kasih kepada kesan fotoelektrik yang beroperasi di dalamnya. Tetapi ke manakah elektron "terputus" pergi dalam penukar fotovoltaik? Penukar fotovoltaik atau sel suria atau fotosel ialah semikonduktor, oleh itu, kesan foto berlaku di dalamnya dengan cara yang luar biasa, ia adalah kesan foto dalaman, dan juga mempunyai nama khas "kesan foto injap".

Di bawah pengaruh cahaya matahari, kesan fotoelektrik berlaku di persimpangan pn semikonduktor dan EMF muncul, tetapi elektron tidak meninggalkan fotosel, semuanya berlaku dalam lapisan penyekat apabila elektron meninggalkan satu bahagian badan, berpindah ke bahagian lain. sebahagian daripadanya.

Silikon dalam kerak bumi adalah 30% daripada jisimnya, itulah sebabnya ia digunakan di mana-mana. Keistimewaan semikonduktor secara amnya terletak pada fakta bahawa mereka bukan konduktor mahupun dielektrik, kekonduksian mereka bergantung pada kepekatan kekotoran, pada suhu dan pada kesan sinaran.

Celah jalur dalam semikonduktor ialah beberapa volt elektron, dan ia hanyalah perbezaan tenaga antara aras jalur valensi atas atom, dari mana elektron ditarik balik, dan tahap pengaliran yang lebih rendah. Silikon mempunyai jurang jalur 1.12 eV—hanya apa yang diperlukan untuk menyerap sinaran suria.

Jadi simpang pn. Lapisan silikon terdop dalam fotosel membentuk simpang pn. Di sini terdapat penghalang tenaga untuk elektron, mereka meninggalkan jalur valensi dan bergerak dalam satu arah sahaja, lubang bergerak ke arah yang bertentangan. Beginilah cara arus dalam sel suria diperolehi, iaitu penjanaan tenaga elektrik daripada cahaya matahari.

Persimpangan pn, yang terdedah kepada tindakan foton, tidak membenarkan pembawa cas — elektron dan lubang — bergerak dengan cara selain daripada satu arah sahaja, mereka berpisah dan berakhir di sisi bertentangan penghalang. Dan apabila disambungkan kepada litar beban melalui elektrod atas dan bawah, penukar fotovoltaik, apabila terdedah kepada cahaya matahari, akan mencipta dalam litar luaran arus elektrik terus.