Hoe het proces van het omzetten van zonne-energie in elektrische energie werkt

Velen van ons zijn op de een of andere manier zonnecellen tegengekomen. Iemand heeft zonnepanelen gebruikt of gebruikt deze om elektriciteit op te wekken voor huishoudelijke doeleinden, iemand gebruikt een klein zonnepaneel om zijn favoriete gadget in het veld op te laden en iemand heeft zeker een kleine zonnecel op een microcalculator gezien. Sommigen hadden zelfs het geluk hem te bezoeken Zonne-energiecentrale. 

Maar heb je je ooit afgevraagd hoe het proces van het omzetten van zonne-energie in elektriciteit werkt? Welk natuurkundig fenomeen ligt ten grondslag aan de werking van al deze zonnecellen? Laten we ons wenden tot de natuurkunde en het generatieproces in detail begrijpen.

Vanaf het allereerste begin is het duidelijk dat de energiebron hier zonlicht is of, wetenschappelijk gesproken, Elektrische energie wordt geproduceerd dankzij fotonen van zonnestraling. Deze fotonen kunnen worden voorgesteld als een stroom van elementaire deeltjes die constant van de zon af bewegen, die allemaal energie hebben, en daarom draagt ​​de hele lichtstroom een ​​soort energie.

Van elke vierkante meter van het oppervlak van de zon wordt continu 63 MW energie uitgestraald in de vorm van straling! De maximale intensiteit van deze straling valt binnen het bereik van het zichtbare spectrum — golflengten van 400 tot 800 nm. 

Wetenschappers hebben dus ontdekt dat de energiedichtheid van de stroom zonlicht op een afstand van de zon naar de aarde 149600000 kilometer is, na door de atmosfeer te zijn gegaan en bij het bereiken van het oppervlak van onze planeet, gemiddeld ongeveer 900 watt per vierkant meter.

Hier kun je deze energie accepteren en proberen er elektriciteit uit te halen, dat wil zeggen de energie van de lichtstroom van de zon omzetten in de energie van bewegende geladen deeltjes, met andere woorden, in elektriciteit. 

Om licht in elektriciteit om te zetten, hebben we een foto-elektrische convertor nodig... Dergelijke converters zijn heel gebruikelijk, ze zijn te vinden in de vrije handel, dit zijn de zogenaamde zonnecellen - fotovoltaïsche converters in de vorm van uit silicium gesneden platen.

De beste zijn monokristallijn, ze hebben een efficiëntie van ongeveer 18%, dat wil zeggen, als de fotonstroom van de zon een energiedichtheid heeft van 900 W / m2, dan kun je rekenen op 160 W elektriciteit van een vierkante meter van een batterij samengesteld uit dergelijke cellen.

Hier werkt een fenomeen dat het «foto-elektrisch effect» wordt genoemd. Foto-elektrisch effect of foto-elektrisch effect — Dit is het fenomeen van emissie van elektronen uit een substantie (het fenomeen van het loskomen van elektronen van de atomen van een substantie) onder invloed van licht of andere elektromagnetische straling.

Reeds in 1900Max Planck, de grondlegger van de kwantumfysica, suggereerde dat licht wordt uitgezonden en geabsorbeerd door individuele deeltjes, of quanta, die de chemicus Gilbert Lewis later, in 1926, 'fotonen' zou noemen.

Elk foton heeft een energie die kan worden bepaald met de formule E = hv — de constante van Planck vermenigvuldigd met de frequentie van emissie.

In overeenstemming met het idee van Max Planck wordt het fenomeen dat in 1887 door Hertz werd ontdekt en vervolgens grondig bestudeerd van 1888 tot 1890 door Stoletov, verklaarbaar. Alexander Stoletov bestudeerde experimenteel het foto-elektrisch effect en stelde drie wetten van het foto-elektrisch effect vast (de wetten van Stoletov):

• Bij een constante spectrale samenstelling van elektromagnetische straling die op de fotokathode valt, is de verzadigingsfotostroom evenredig met de kathodebestraling (anders: het aantal foto-elektronen dat in 1 s uit de kathode wordt geslagen, is rechtevenredig met de stralingsintensiteit).

• De maximale beginsnelheid van de foto-elektronen is niet afhankelijk van de intensiteit van het invallende licht, maar wordt alleen bepaald door de frequentie ervan.

• Voor elke stof is er een rode limiet van het foto-elektrisch effect, dat wil zeggen de minimale lichtfrequentie (afhankelijk van de chemische aard van de stof en de toestand van het oppervlak) waaronder het foto-effect onmogelijk is.

Later, in 1905, zou Einstein de theorie van het foto-elektrisch effect verduidelijken. Hij zal laten zien hoe de kwantumtheorie van licht en de wet van behoud en omzetting van energie perfect verklaren wat er gebeurt en wat wordt waargenomen. Einstein zou de vergelijking voor het foto-elektrisch effect schrijven, waarvoor hij in 1921 de Nobelprijs won:

Werkfuncties En hier is het minimale werk dat een elektron moet doen om een ​​atoom van een stof te verlaten.De tweede term is de kinetische energie van het elektron na het verlaten.

Dat wil zeggen, het foton wordt geabsorbeerd door het elektron van het atoom, daarom neemt de kinetische energie van het elektron in het atoom toe met de hoeveelheid energie van het geabsorbeerde foton.

Een deel van deze energie wordt besteed aan het verlaten van het elektron van het atoom, het elektron verlaat het atoom en krijgt de kans om vrij te bewegen. En gerichte bewegende elektronen zijn niets meer dan elektrische stroom of fotostroom. Als gevolg hiervan kunnen we praten over het optreden van EMF in een stof als gevolg van het foto-elektrisch effect.

Dat wil zeggen, de zonnebatterij werkt dankzij het foto-elektrische effect dat erin werkt. Maar waar gaan de "knock-out" elektronen naar toe in de fotovoltaïsche omzetter? Fotovoltaïsche omvormer of zonnecel of fotocel is halfgeleider, daarom komt het foto-effect er op een ongebruikelijke manier in voor, het is een intern foto-effect en heeft zelfs een speciale naam "klepfoto-effect".

Onder invloed van zonlicht treedt er een foto-elektrisch effect op in de pn-overgang van een halfgeleider en verschijnt er een EMF, maar de elektronen verlaten de fotocel niet, alles gebeurt in de blokkeerlaag wanneer de elektronen het ene deel van het lichaam verlaten en naar het andere gaan deel van het.

Silicium in de aardkorst is 30% van zijn massa, daarom wordt het overal gebruikt. De eigenaardigheid van halfgeleiders in het algemeen ligt in het feit dat ze noch geleiders noch diëlektrica zijn, hun geleidbaarheid hangt af van de concentratie van onzuiverheden, van temperatuur en van het effect van straling.

De bandgap in een halfgeleider is een paar elektronvolts, en het is gewoon het energieverschil tussen het bovenste valentiebandniveau van de atomen, waaruit elektronen worden onttrokken, en het lagere geleidingsniveau. Silicium heeft een bandgap van 1,12 eV, precies wat nodig is om zonnestraling te absorberen.

Dus pn-kruising. Gedoteerde siliciumlagen in de fotocel vormen een pn-overgang. Hier is er een energiebarrière voor elektronen, ze verlaten de valentieband en bewegen slechts in één richting, gaten bewegen in de tegenovergestelde richting. Zo ontstaat de stroom in de zonnecel, oftewel het opwekken van elektriciteit uit zonlicht.

De pn-overgang, blootgesteld aan de werking van fotonen, staat niet toe dat de ladingsdragers - elektronen en gaten - in een andere richting bewegen dan slechts in één richting, ze scheiden en eindigen aan weerszijden van de barrière. En wanneer aangesloten op het belastingscircuit via de bovenste en onderste elektroden, zal de fotovoltaïsche omvormer, wanneer blootgesteld aan zonlicht, in het externe circuit creëren gelijkstroom.