Как протича процесът на преобразуване на слънчевата енергия в електрическа

Много от нас са се сблъсквали по един или друг начин със слънчеви клетки. Някой е използвал или използва слънчеви панели за генериране на електричество за битови цели, някой използва малък слънчев панел, за да зарежда любимата си джаджа на полето, а някой със сигурност е видял малка слънчева клетка на микро калкулатор. Някои дори имаха късмета да го посетят слънчева електроцентрала. 

Но замисляли ли сте се как протича процесът на преобразуване на слънчевата енергия в електрическа? Какво физическо явление е в основата на работата на всички тези слънчеви клетки? Нека се обърнем към физиката и да разберем подробно процеса на генериране.

Още от самото начало е очевидно, че източникът на енергия тук е слънчевата светлина или, научно казано, Електрическа енергия се получава благодарение на фотоните на слънчевата радиация. Тези фотони могат да бъдат представени като поток от елементарни частици, непрекъснато движещи се от Слънцето, всяка от които има енергия и следователно целият светлинен поток носи някакъв вид енергия.

От всеки квадратен метър от повърхността на Слънцето непрекъснато се излъчват 63 MW енергия под формата на радиация! Максималният интензитет на това излъчване пада върху обхвата на видимия спектър — дължини на вълните от 400 до 800 nm. 

И така, учените са установили, че енергийната плътност на потока от слънчева светлина на разстояние от Слънцето до Земята е 149600000 километра, след като преминава през атмосферата, и при достигане на повърхността на нашата планета, средно около 900 вата на квадратен метър .

Тук можете да приемете тази енергия и да се опитате да получите електричество от нея, тоест да преобразувате енергията на светлинния поток на слънцето в енергията на движещите се заредени частици, с други думи, в електричество. 

За да преобразуваме светлината в електричество, имаме нужда фотоелектрически преобразувател… Такива преобразуватели са много често срещани, те се срещат в свободната търговия, това са така наречените слънчеви клетки — фотоволтаични преобразуватели под формата на плочи, изрязани от силиций.

Най -добрите са монокристални, те имат ефективност около 18%, тоест ако фотонният поток от слънцето има енергийна плътност 900 W / m2, тогава можете да разчитате на получаване на 160 W електричество от квадратен метър от батерия, сглобена от такива клетки.

Тук работи феномен, наречен «фотоелектричен ефект». Фотоелектричен ефект или фотоелектричен ефект — Това е явлението излъчване на електрони от вещество (явлението откъсване на електрони от атомите на веществото) под въздействието на светлина или друго електромагнитно излъчване.

Още през 1900 г. Макс Планк, бащата на квантовата физика, предполага, че светлината се излъчва и абсорбира от отделни части или кванти, които по -късно, през 1926 г., химикът Гилбърт Люис би нарекъл „фотони“.

Всеки фотон има енергия, която може да се определи по формулата E = hv — константата на Планк, умножена по честотата на излъчване.

В съответствие с идеята на Макс Планк, явлението, открито през 1887 г. от Херц и след това задълбочено изследвано от 1888 до 1890 г. от Столетов, става обяснимо. Александър Столетов експериментално изучава фотоелектричния ефект и установява три закона на фотоелектричния ефект (законите на Столетов):

• При постоянен спектрален състав на електромагнитно излъчване, падащо върху фотокатода, фототокът на насищане е пропорционален на облъчването на катода (в противен случай: броят на фотоелектроните, избити от катода за 1 s, е правопропорционален на интензитета на излъчване).

• Максималната начална скорост на фотоелектроните не зависи от интензитета на падащата светлина, а се определя само от нейната честота.

• За всяко вещество има червена граница на фотоелектричния ефект, тоест минималната честота на светлината (в зависимост от химичната природа на веществото и състоянието на повърхността), под която фотоефектът е невъзможен.

По -късно, през 1905 г., Айнщайн ще изясни теорията за фотоелектричния ефект. Той ще покаже как квантовата теория на светлината и законът за запазване и преобразуване на енергията перфектно обясняват какво се случва и какво се наблюдава. Айнщайн ще напише уравнението за фотоелектричния ефект, за което той спечели Нобелова награда през 1921 г .:

Работни функции И тук е минималната работа, която един електрон трябва да свърши, за да напусне атом от вещество. Вторият термин е кинетичната енергия на електрона след излизането.

Тоест фотонът се абсорбира от електрона на атома, поради което кинетичната енергия на електрона в атома се увеличава с количеството енергия на погълнатия фотон.

Част от тази енергия се изразходва за излизане на електрона от атома, електронът напуска атома и получава възможност да се движи свободно. А насочените движещи се електрони не са нищо повече от електрически ток или фототок. В резултат на това можем да говорим за появата на ЕМП в вещество в резултат на фотоелектричния ефект.

Това е, слънчевата батерия работи благодарение на действащия в нея фотоелектричен ефект. Но къде отиват «избитите» електрони във фотоволтаичния преобразувател? Фотоволтаичен преобразувател или слънчева клетка или фотоклетка е полупроводник, следователно, фотоефектът възниква в него по необичаен начин, той е вътрешен фотоефект и дори има специално име „вентилен фотоефект“.

Под въздействието на слънчевата светлина се получава фотоелектричен ефект в pn прехода на полупроводник и се появява ЕМП, но електроните не напускат фотоклетката, всичко се случва в блокиращия слой, когато електроните напускат една част на тялото, преминавайки в друга част от него.

Силицийът в земната кора е 30% от масата му, поради което се използва навсякъде. Особеността на полупроводниците като цяло се крие във факта, че те не са нито проводници, нито диелектрици, тяхната проводимост зависи от концентрацията на примеси, от температурата и от ефекта на радиацията.

Ширината на лентата в полупроводника е няколко електронволта и това е само енергийната разлика между горното ниво на валентната зона на атомите, от която се изтеглят електроните, и долното ниво на проводимостта. Силиконът има пролука от 1,12 eV — точно това, което е необходимо за поглъщане на слънчевата радиация.

И така, pn кръстовище. Легирани силициеви слоеве във фотоклетката образуват pn кръстовище. Тук се получава енергийна бариера за електроните, те напускат валентната зона и се движат само в една посока, дупките се движат в обратната посока. Така се получава токът в слънчевата клетка, тоест става генерирането на електричество от слънчевата светлина.

Pn кръстовището, изложено на действието на фотоните, не позволява на носителите на заряд — електрони и дупки — да се движат по различен начин, отколкото само в една посока, те се разделят и се оказват от противоположните страни на бариерата. А когато е свързан към товарната верига чрез горния и долния електрод, фотоволтаичният преобразувател, когато е изложен на слънчева светлина, ще създаде във външната верига постоянен електрически ток.