Kako funkcionira proces pretvaranja sunčeve energije u električnu

Mnogi od nas su se na ovaj ili onaj način susreli sa solarnim ćelijama. Netko je koristio ili koristi solarne panele za proizvodnju električne energije za potrebe kućanstva, netko koristi mali solarni panel za punjenje svog omiljenog gadgeta na terenu, a netko je sigurno vidio malu solarnu ćeliju na mikrokalkulatoru. Neki su čak imali sreću da ga posjete solarna elektrana. 

Ali jeste li se ikada zapitali kako funkcionira proces pretvaranja sunčeve energije u električnu? Koji je fizički fenomen u osnovi rada svih ovih solarnih ćelija? Okrenimo se fizici i detaljno shvatimo proces generiranja.

Od samog početka je očito da je izvor energije ovdje sunčeva svjetlost ili, znanstveno rečeno, Električna energija nastaje zahvaljujući fotonima sunčevog zračenja. Ti se fotoni mogu predstaviti kao tok elementarnih čestica koje se neprestano kreću od Sunca, od kojih svaka ima energiju, pa stoga cijeli svjetlosni tok nosi neku vrstu energije.

Sa svakog četvornog metra Sunčeve površine kontinuirano se emitira 63 MW energije u obliku zračenja! Maksimalni intenzitet ovog zračenja pada na područje vidljivog spektra — valne duljine od 400 do 800 nm. 

Dakle, znanstvenici su otkrili da gustoća energije protoka sunčeve svjetlosti na udaljenosti od Sunca do Zemlje iznosi 149600000 kilometara, nakon prolaska kroz atmosferu, a po dolasku na površinu našeg planeta, prosječno oko 900 vata po kvadratu metar.

Ovdje možete prihvatiti tu energiju i pokušati iz nje dobiti električnu energiju, odnosno pretvoriti energiju sunčevog svjetlosnog toka u energiju pokretnih nabijenih čestica, drugim riječima, u struja. 

Za pretvaranje svjetlosti u električnu energiju potreban nam je fotoelektrični pretvarač... Takvi pretvarači su vrlo česti, nalaze se u slobodnoj trgovini, to su takozvane solarne ćelije - fotonaponski pretvarači u obliku ploča izrezanih od silicija.

Najbolji su monokristalni, imaju učinkovitost od oko 18%, odnosno ako protok fotona iz Sunca ima gustoću energije od 900 W / m2, tada možete računati na dobivanje 160 W električne energije iz kvadratnog metra površine. baterija sastavljena od takvih ćelija.

Ovdje djeluje fenomen koji se zove «fotoelektrični efekt». Fotoelektrični efekt ili fotoelektrični efekt — To je pojava emisije elektrona iz tvari (fenomen odvajanja elektrona od atoma tvari) pod utjecajem svjetlosti ili drugog elektromagnetskog zračenja.

Već 1900. godMax Planck, otac kvantne fizike, sugerirao je da svjetlost emitiraju i apsorbiraju pojedinačne čestice, ili kvanti, koje će kasnije, 1926., kemičar Gilbert Lewis nazvati "fotonima".

Svaki foton ima energiju koja se može odrediti formulom E = hv — Planckova konstanta pomnožena s frekvencijom emisije.

U skladu s idejom Maxa Plancka postaje objašnjiv fenomen koji je 1887. otkrio Hertz, a potom ga od 1888. do 1890. temeljito proučavao Stoletov. Aleksandar Stoletov je eksperimentalno proučavao fotoelektrični efekt i ustanovio tri zakona fotoelektričnog efekta (Stoletovljevi zakoni):

• Pri konstantnom spektralnom sastavu elektromagnetskog zračenja koje pada na fotokatodu, fotostruja zasićenja proporcionalna je zračenju katode (inače: broj fotoelektrona izbačenih iz katode u 1 s izravno je proporcionalan intenzitetu zračenja).

• Najveća početna brzina fotoelektrona ne ovisi o intenzitetu upadne svjetlosti, već je određena samo njezinom frekvencijom.

• Za svaku tvar postoji crvena granica fotoelektričnog efekta, odnosno minimalna frekvencija svjetlosti (ovisno o kemijskoj prirodi tvari i stanju površine) ispod koje je fotoefekt nemoguć.

Kasnije, 1905., Einstein će razjasniti teoriju fotoelektričnog efekta. Pokazat će kako kvantna teorija svjetlosti i zakon očuvanja i pretvorbe energije savršeno objašnjavaju što se događa i što se promatra. Einstein će napisati jednadžbu za fotoelektrični efekt, za koji je 1921. dobio Nobelovu nagradu:

Radne funkcije A ovdje je minimalni rad koji elektron mora izvršiti da napusti atom tvari.Drugi član je kinetička energija elektrona nakon izlaska.

To jest, foton apsorbira elektron atoma, stoga se kinetička energija elektrona u atomu povećava za količinu energije apsorbiranog fotona.

Dio te energije troši se na izlazak elektrona iz atoma, elektron napušta atom i dobiva mogućnost slobodnog kretanja. A usmjereni pokretni elektroni nisu ništa više od električne struje ili fotostruje. Kao rezultat toga, možemo govoriti o pojavi EMF-a u tvari kao rezultat fotoelektričnog učinka.

Odnosno, solarna baterija radi zahvaljujući fotoelektričnom efektu koji djeluje u njoj. Ali kamo odlaze "izbačeni" elektroni u fotonaponskom pretvaraču? Fotonaponski pretvarač ili solarna ćelija ili fotoćelija je poluvodič, dakle, fotoefekt se kod njega javlja na neobičan način, interni je fotoefekt, pa čak ima i poseban naziv "ventil fotoefekt".

Pod utjecajem sunčeve svjetlosti dolazi do fotoelektričnog efekta u pn spoju poluvodiča i pojavljuje se EMF, ali elektroni ne napuštaju fotoćeliju, sve se događa u blokirajućem sloju kada elektroni napuštaju jedan dio tijela, prelazeći u drugi dio toga.

Silicij u zemljinoj kori čini 30% njezine mase, zbog čega se koristi posvuda. Osobitost poluvodiča općenito je u tome što oni nisu niti vodiči niti dielektrici, njihova vodljivost ovisi o koncentraciji nečistoća, o temperaturi i o učinku zračenja.

Razmak između pojasa u poluvodiču je nekoliko elektron volti, a to je samo razlika u energiji između gornje razine valentnog pojasa atoma, iz koje se elektroni povlače, i donje razine vodljivosti. Silicij ima propusni opseg od 1,12 eV — upravo onoliko koliko je potrebno za apsorpciju sunčevog zračenja.

Dakle, pn spoj. Slojevi dopiranog silicija u fotoćeliji tvore pn spoj. Ovdje postoji energetska barijera za elektrone, oni napuštaju valentni pojas i kreću se samo u jednom smjeru, rupe se kreću u suprotnom smjeru. Tako se dobiva struja u solarnoj ćeliji, odnosno proizvodnja električne energije iz sunčeve svjetlosti.

Pn spoj, izložen djelovanju fotona, ne dopušta nositeljima naboja — elektronima i rupama — kretanje u drugom smjeru osim samo u jednom smjeru, oni se odvajaju i završavaju na suprotnim stranama barijere. A kada je spojen na krug opterećenja preko gornje i donje elektrode, fotonaponski pretvarač će, kada je izložen sunčevoj svjetlosti, stvoriti u vanjskom krugu istosmjerna električna struja.