Πώς λειτουργεί η διαδικασία μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική

Πολλοί από εμάς έχουμε συναντήσει ηλιακά κύτταρα με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Κάποιος έχει χρησιμοποιήσει ή χρησιμοποιεί ηλιακούς συλλέκτες για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια για οικιακούς σκοπούς, κάποιος χρησιμοποιεί ένα μικρό ηλιακό πάνελ για να φορτίσει το αγαπημένο του gadget στο χωράφι και κάποιος σίγουρα έχει δει μια μικρή ηλιακή κυψέλη σε μια μικρο-αριθμομηχανή. Κάποιοι μάλιστα είχαν την τύχη να τον επισκεφτούν ηλιακή μονάδα παραγωγής ενέργειας. 

Αναρωτηθήκατε όμως ποτέ πώς λειτουργεί η διαδικασία μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική; Ποιο φυσικό φαινόμενο βρίσκεται στη βάση της λειτουργίας όλων αυτών των ηλιακών κυψελών; Ας στραφούμε στη φυσική και ας κατανοήσουμε τη διαδικασία παραγωγής λεπτομερώς.

Από την αρχή είναι προφανές ότι η πηγή ενέργειας εδώ είναι το φως του ήλιου ή, επιστημονικά μιλώντας, Ηλεκτρική ενέργεια παράγεται χάρη στα φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτά τα φωτόνια μπορούν να αναπαρασταθούν ως ένα ρεύμα στοιχειωδών σωματιδίων που κινούνται συνεχώς από τον Ήλιο, καθένα από τα οποία έχει ενέργεια, και επομένως ολόκληρο το ρεύμα φωτός μεταφέρει κάποιο είδος ενέργειας.

Από κάθε τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειας του Ήλιου εκπέμπονται συνεχώς 63 MW ενέργειας με τη μορφή ακτινοβολίας! Η μέγιστη ένταση αυτής της ακτινοβολίας πέφτει στο εύρος του ορατού φάσματος — μήκη κύματος από 400 έως 800 nm. 

Έτσι, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η ενεργειακή πυκνότητα της ροής του ηλιακού φωτός σε απόσταση από τον Ήλιο στη Γη είναι 149600000 χιλιόμετρα, αφού περάσει από την ατμόσφαιρα και φτάνοντας στην επιφάνεια του πλανήτη μας, κατά μέσο όρο περίπου 900 watt ανά τετραγωνικό μετρητής.

Εδώ μπορείτε να δεχτείτε αυτήν την ενέργεια και να προσπαθήσετε να πάρετε ηλεκτρική ενέργεια από αυτήν, δηλαδή να μετατρέψετε την ενέργεια της φωτεινής ροής του ήλιου σε ενέργεια κινούμενων φορτισμένων σωματιδίων, με άλλα λόγια, σε ηλεκτρική ενέργεια. 

Για να μετατρέψουμε το φως σε ηλεκτρισμό χρειαζόμαστε φωτοηλεκτρικό μετατροπέα... Τέτοιοι μετατροπείς είναι πολύ διαδεδομένοι, βρίσκονται στο ελεύθερο εμπόριο, είναι τα λεγόμενα ηλιακά κύτταρα - φωτοβολταϊκοί μετατροπείς σε μορφή πλακών κομμένων από πυρίτιο.

Τα καλύτερα είναι μονοκρυσταλλικά, έχουν απόδοση περίπου 18%, δηλαδή εάν η ροή φωτονίων από τον ήλιο έχει ενεργειακή πυκνότητα 900 W / m2, τότε μπορείτε να βασιστείτε στη λήψη 160 W ηλεκτρικής ενέργειας από ένα τετραγωνικό μέτρο μπαταρία συναρμολογημένη από τέτοιες κυψέλες.

Εδώ λειτουργεί ένα φαινόμενο που ονομάζεται «φωτοηλεκτρικό φαινόμενο». Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ή φωτοηλεκτρικό φαινόμενο — Πρόκειται για το φαινόμενο της εκπομπής ηλεκτρονίων από μια ουσία (το φαινόμενο της αποκόλλησης ηλεκτρονίων από τα άτομα μιας ουσίας) υπό την επίδραση φωτός ή άλλης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Ήδη το 1900Ο Max Planck, ο πατέρας της κβαντικής φυσικής, πρότεινε ότι το φως εκπέμπεται και απορροφάται από μεμονωμένα σωματίδια, ή κβάντα, τα οποία αργότερα, το 1926, ο χημικός Gilbert Lewis θα αποκαλούσε «φωτόνια».

Κάθε φωτόνιο έχει μια ενέργεια που μπορεί να προσδιοριστεί από τον τύπο E = hv — η σταθερά του Planck πολλαπλασιαζόμενη με τη συχνότητα εκπομπής.

Σύμφωνα με την ιδέα του Max Planck, το φαινόμενο που ανακαλύφθηκε το 1887 από τον Hertz και στη συνέχεια μελετήθηκε διεξοδικά από το 1888 έως το 1890 από τον Stoletov γίνεται εξηγήσιμο. Ο Alexander Stoletov μελέτησε πειραματικά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και καθιέρωσε τρεις νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου (νόμοι του Stoletov):

• Σε μια σταθερή φασματική σύνθεση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που πέφτει στη φωτοκάθοδο, το φωτορεύμα κορεσμού είναι ανάλογο με την ακτινοβολία της καθόδου (διαφορετικά: ο αριθμός των φωτοηλεκτρονίων που εξέρχονται από την κάθοδο σε 1 s είναι ευθέως ανάλογος με την ένταση της ακτινοβολίας).

• Η μέγιστη αρχική ταχύτητα των φωτοηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από την ένταση του προσπίπτοντος φωτός, αλλά καθορίζεται μόνο από τη συχνότητά του.

• Για κάθε ουσία υπάρχει ένα κόκκινο όριο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, δηλαδή η ελάχιστη συχνότητα φωτός (ανάλογα με τη χημική φύση της ουσίας και την κατάσταση της επιφάνειας) κάτω από την οποία το φωτοεπίδραση είναι αδύνατο.

Αργότερα, το 1905, ο Αϊνστάιν θα διευκρίνιζε τη θεωρία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Θα δείξει πώς η κβαντική θεωρία του φωτός και ο νόμος της διατήρησης και μετατροπής της ενέργειας εξηγούν τέλεια τι συμβαίνει και τι παρατηρείται. Ο Αϊνστάιν θα έγραφε την εξίσωση για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, για το οποίο κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1921:

Συναρτήσεις εργασίας Και εδώ είναι το ελάχιστο έργο που πρέπει να κάνει ένα ηλεκτρόνιο για να αφήσει ένα άτομο μιας ουσίας.Ο δεύτερος όρος είναι η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου μετά την έξοδο.

Δηλαδή, το φωτόνιο απορροφάται από το ηλεκτρόνιο του ατόμου, επομένως η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου στο άτομο αυξάνεται κατά την ποσότητα ενέργειας του απορροφούμενου φωτονίου.

Μέρος αυτής της ενέργειας δαπανάται για να φύγει το ηλεκτρόνιο από το άτομο, το ηλεκτρόνιο φεύγει από το άτομο και έχει την ευκαιρία να κινηθεί ελεύθερα. Και τα κατευθυνόμενα κινούμενα ηλεκτρόνια δεν είναι τίποτα άλλο από ηλεκτρικό ρεύμα ή φωτορεύμα. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να μιλήσουμε για την εμφάνιση του EMF σε μια ουσία ως αποτέλεσμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Δηλαδή, η ηλιακή μπαταρία λειτουργεί χάρη στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο που λειτουργεί σε αυτήν. Πού πάνε όμως τα «χτυπημένα» ηλεκτρόνια στον φωτοβολταϊκό μετατροπέα; Φωτοβολταϊκός μετατροπέας ή ηλιακό στοιχείο ή φωτοκύτταρο είναι ημιαγωγός, επομένως, το εφέ φωτογραφίας εμφανίζεται σε αυτό με έναν ασυνήθιστο τρόπο, είναι ένα εσωτερικό φωτογραφικό εφέ, και μάλιστα έχει ειδική ονομασία «φωτογραφικό εφέ βαλβίδας».

Υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός, εμφανίζεται ένα φωτοηλεκτρικό φαινόμενο στη διασταύρωση pn ενός ημιαγωγού και εμφανίζεται ένα EMF, αλλά τα ηλεκτρόνια δεν φεύγουν από το φωτοκύτταρο, όλα συμβαίνουν στο στρώμα αποκλεισμού όταν τα ηλεκτρόνια φεύγουν από ένα μέρος του σώματος, περνώντας σε άλλο μέρος του.

Το πυρίτιο στον φλοιό της γης είναι το 30% της μάζας του, γι' αυτό και χρησιμοποιείται παντού. Η ιδιαιτερότητα των ημιαγωγών γενικά έγκειται στο γεγονός ότι δεν είναι ούτε αγωγοί ούτε διηλεκτρικοί, η αγωγιμότητα τους εξαρτάται από τη συγκέντρωση των ακαθαρσιών, από τη θερμοκρασία και από την επίδραση της ακτινοβολίας.

Το διάκενο ζώνης σε έναν ημιαγωγό είναι λίγα ηλεκτρονιοβολτ, και είναι απλώς η διαφορά ενέργειας μεταξύ του ανώτερου επιπέδου ζώνης σθένους των ατόμων, από το οποίο αποσύρονται τα ηλεκτρόνια, και του κατώτερου επιπέδου αγωγιμότητας. Το πυρίτιο έχει διάκενο ζώνης 1,12 eV—ό,τι ακριβώς χρειάζεται για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας.

Διασταύρωση pn λοιπόν. Οι στρώσεις ντοπαρισμένου πυριτίου στο φωτοκύτταρο σχηματίζουν μια διασταύρωση pn. Εδώ υπάρχει ένα ενεργειακό φράγμα για τα ηλεκτρόνια, αφήνουν τη ζώνη σθένους και κινούνται προς μία μόνο κατεύθυνση, οι οπές κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι προκύπτει το ρεύμα στο ηλιακό στοιχείο, δηλαδή η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το ηλιακό φως.

Η διασταύρωση pn, εκτεθειμένη στη δράση των φωτονίων, δεν επιτρέπει στους φορείς φορτίου - ηλεκτρόνια και οπές - να κινούνται με τρόπο διαφορετικό από μια μόνο κατεύθυνση, χωρίζονται και καταλήγουν σε αντίθετες πλευρές του φραγμού. Και όταν συνδεθεί στο κύκλωμα φορτίου μέσω των άνω και κάτω ηλεκτροδίων, ο φωτοβολταϊκός μετατροπέας, όταν εκτεθεί στο ηλιακό φως, θα δημιουργήσει στο εξωτερικό κύκλωμα συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα.