Paano gumagana ang proseso ng pag-convert ng solar energy sa electrical energy

Marami sa atin ang nakatagpo ng mga solar cell sa isang paraan o iba pa. May gumamit o gumagamit ng mga solar panel upang makabuo ng kuryente para sa mga gamit sa bahay, may gumagamit ng maliit na solar panel para i-charge ang kanilang paboritong gadget sa field, at tiyak na may nakakita ng maliit na solar cell sa isang micro calculator. Ang ilan ay pinalad pa nga na bumisita sa kanya solar power plant. 

Ngunit naisip mo na ba kung paano gumagana ang proseso ng pag-convert ng solar energy sa kuryente? Anong pisikal na kababalaghan ang sumasailalim sa operasyon ng lahat ng mga solar cell na ito? Bumaling tayo sa pisika at unawain nang detalyado ang proseso ng henerasyon.

Sa simula pa lang ay halata na na ang pinagmumulan ng enerhiya dito ay sikat ng araw o, sa siyentipikong pagsasalita, Elektrisidad na enerhiya ay ginawa salamat sa mga photon ng solar radiation. Ang mga photon na ito ay maaaring kinakatawan bilang isang stream ng elementarya na mga particle na patuloy na gumagalaw mula sa Araw, bawat isa ay may enerhiya, at samakatuwid ang buong ilaw na stream ay nagdadala ng ilang uri ng enerhiya.

Mula sa bawat metro kuwadrado ng ibabaw ng Araw, 63 MW ng enerhiya ang patuloy na ibinubuga sa anyo ng radiation! Ang pinakamataas na intensity ng radiation na ito ay nahuhulog sa hanay ng nakikitang spectrum - wavelength mula 400 hanggang 800 nm. 

Kaya, natuklasan ng mga siyentipiko na ang density ng enerhiya ng daloy ng sikat ng araw sa layo mula sa Araw hanggang sa Earth ay 149600000 kilometro, pagkatapos na dumaan sa atmospera, at sa pag-abot sa ibabaw ng ating planeta, isang average ng halos 900 watts bawat parisukat. metro.

Dito maaari mong tanggapin ang enerhiya na ito at subukang kumuha ng kuryente mula dito, iyon ay, upang i-convert ang enerhiya ng liwanag na pagkilos ng araw sa enerhiya ng paglipat ng mga sisingilin na particle, sa madaling salita, sa kuryente. 

Upang i-convert ang liwanag sa kuryente, kailangan namin ng isang photoelectric converter... Ang ganitong mga converter ay napaka-pangkaraniwan, sila ay matatagpuan sa libreng kalakalan, ito ay ang tinatawag na solar cells - photovoltaic converters sa anyo ng mga plates na pinutol mula sa silikon.

Ang pinakamahusay ay monocrystalline, mayroon silang kahusayan na halos 18%, iyon ay, kung ang daloy ng photon mula sa araw ay may density ng enerhiya na 900 W / m2, maaari kang umasa sa pagtanggap ng 160 W ng kuryente mula sa isang square meter ng isang baterya na binuo mula sa naturang mga cell.

Gumagana dito ang isang phenomenon na tinatawag na «photoelectric effect». Photoelectric effect o photoelectric effect — Ito ang phenomenon ng paglabas ng mga electron mula sa isang substance (ang phenomenon ng detachment ng mga electron mula sa mga atoms ng isang substance) sa ilalim ng impluwensya ng liwanag o iba pang electromagnetic radiation.

Nasa 1900 naSi Max Planck, ang ama ng quantum physics, ay nagmungkahi na ang liwanag ay ibinubuga at hinihigop ng mga indibidwal na particle, o quanta, na nang maglaon, noong 1926, ang chemist na si Gilbert Lewis ay tatawagin na "mga photon."

Ang bawat photon ay may enerhiya na maaaring matukoy ng formula E = hv — ang pare-pareho ng Planck na pinarami ng dalas ng paglabas.

Alinsunod sa ideya ni Max Planck, ang kababalaghang natuklasan noong 1887 ni Hertz at pagkatapos ay masusing pinag-aralan mula 1888 hanggang 1890 ni Stoletov ay naging maipaliwanag. Eksperimento na pinag-aralan ni Alexander Stoletov ang photoelectric effect at itinatag ang tatlong batas ng photoelectric effect (mga batas ni Stoletov):

• Sa isang pare-parehong spectral na komposisyon ng electromagnetic radiation na bumabagsak sa photocathode, ang saturation photocurrent ay proporsyonal sa cathode irradiation (kung hindi man: ang bilang ng mga photoelectron na natanggal sa cathode sa 1 s ay direktang proporsyonal sa intensity ng radiation).

• Ang pinakamataas na paunang bilis ng mga photoelectron ay hindi nakasalalay sa intensity ng liwanag ng insidente, ngunit natutukoy lamang sa dalas nito.

• Para sa bawat sangkap ay may pulang limitasyon ng photoelectric effect, iyon ay, ang pinakamababang dalas ng liwanag (depende sa kemikal na katangian ng sangkap at ang estado ng ibabaw) sa ibaba kung saan imposible ang photoeffect.

Nang maglaon, noong 1905, linawin ni Einstein ang teorya ng photoelectric effect. Ipapakita niya kung paano ang quantum theory ng liwanag at ang batas ng konserbasyon at conversion ng enerhiya ay perpektong nagpapaliwanag kung ano ang nangyayari at kung ano ang naobserbahan. Isusulat ni Einstein ang equation para sa photoelectric effect, kung saan nanalo siya ng Nobel Prize noong 1921:

Work functions At narito ang pinakamababang gawain na dapat gawin ng isang electron upang mag-iwan ng atom ng isang substance.Ang pangalawang termino ay ang kinetic energy ng electron pagkatapos lumabas.

Iyon ay, ang photon ay nasisipsip ng electron ng atom, samakatuwid ang kinetic energy ng electron sa atom ay nagdaragdag sa dami ng enerhiya ng nasisipsip na photon.

Ang bahagi ng enerhiya na ito ay ginugugol sa pag-alis ng elektron mula sa atom, ang elektron ay umalis sa atom at nakakakuha ng pagkakataong malayang gumalaw. At ang nakadirekta na gumagalaw na mga electron ay walang iba kundi ang electric current o photocurrent. Bilang resulta, maaari nating pag-usapan ang hitsura ng EMF sa isang sangkap bilang resulta ng photoelectric effect.

Iyon ay, gumagana ang solar battery salamat sa photoelectric effect na tumatakbo dito. Ngunit saan napupunta ang "knocked out" na mga electron sa photovoltaic converter? Photovoltaic converter o solar cell o photocell ay semiconductor, samakatuwid, ang epekto ng larawan ay nangyayari dito sa isang hindi pangkaraniwang paraan, ito ay isang panloob na epekto ng larawan, at kahit na may espesyal na pangalan na "balbula na epekto ng larawan".

Sa ilalim ng impluwensya ng sikat ng araw, ang isang photoelectric effect ay nangyayari sa pn junction ng isang semiconductor at isang EMF ay lilitaw, ngunit ang mga electron ay hindi umaalis sa photocell, ang lahat ay nangyayari sa blocking layer kapag ang mga electron ay umalis sa isang bahagi ng katawan, na dumadaan sa isa pa. bahagi ng mga ito.

Ang silikon sa crust ng lupa ay 30% ng masa nito, kaya naman ginagamit ito sa lahat ng dako. Ang kakaiba ng mga semiconductor sa pangkalahatan ay namamalagi sa katotohanan na hindi sila conductor o dielectrics, ang kanilang conductivity ay nakasalalay sa konsentrasyon ng mga impurities, sa temperatura at sa epekto ng radiation.

Ang bandgap sa isang semiconductor ay ilang electron volts, at ito lang ang pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng itaas na antas ng valence band ng mga atom, kung saan inaalis ang mga electron, at ang mas mababang antas ng pagpapadaloy. Ang Silicon ay may bandgap na 1.12 eV—kung ano lang ang kailangan para masipsip ang solar radiation.

Kaya pn junction. Ang mga doped na layer ng silikon sa photocell ay bumubuo ng isang pn junction. Dito mayroong isang hadlang sa enerhiya para sa mga electron, iniiwan nila ang valence band at lumipat sa isang direksyon lamang, ang mga butas ay gumagalaw sa kabaligtaran na direksyon. Ito ay kung paano nakuha ang kasalukuyang sa solar cell, iyon ay, ang pagbuo ng kuryente mula sa sikat ng araw.

Ang pn junction, na nakalantad sa pagkilos ng mga photon, ay hindi nagpapahintulot sa mga tagadala ng singil - mga electron at butas - na lumipat sa isang paraan maliban sa isang direksyon lamang, sila ay naghihiwalay at napupunta sa magkabilang panig ng hadlang. At kapag nakakonekta sa load circuit sa pamamagitan ng upper at lower electrodes, ang photovoltaic converter, kapag nakalantad sa sikat ng araw, ay lilikha sa panlabas na circuit direktang kuryente.