Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme süreci nasıl işliyor?

Birçoğumuz öyle ya da böyle güneş pilleriyle karşılaşmışızdır. Birisi ev ihtiyaçları için elektrik üretmek için güneş panelleri kullandı veya kullanıyor, biri sahada en sevdiği aleti şarj etmek için küçük bir güneş paneli kullanıyor ve biri kesinlikle mikro hesap makinesinde küçük bir güneş pili gördü. Hatta bazıları onu ziyaret edecek kadar şanslıydı. Güneş enerjili elektrik santrali. 

Ancak güneş enerjisini elektriğe dönüştürme sürecinin nasıl çalıştığını hiç merak ettiniz mi? Tüm bu güneş pillerinin işleyişinin altında hangi fiziksel fenomen yatıyor? Fiziğe dönelim ve üretim sürecini ayrıntılı olarak anlayalım.

En başından beri, buradaki enerji kaynağının güneş ışığı olduğu veya bilimsel olarak konuşursak, Elektrik enerjisi güneş radyasyonunun fotonları sayesinde üretilir. Bu fotonlar, her biri enerjiye sahip olan ve bu nedenle tüm ışık akışı bir tür enerji taşıyan, Güneş'ten sürekli hareket eden bir temel parçacık akışı olarak temsil edilebilir.

Güneş yüzeyinin her metrekaresinden sürekli olarak 63 MW enerji radyasyon şeklinde yayılır! Bu radyasyonun maksimum yoğunluğu, görünür spektrumun aralığına düşer - 400 ila 800 nm dalga boyları. 

Böylece bilim adamları, Güneş'ten Dünya'ya kadar olan bir mesafedeki güneş ışığı akışının enerji yoğunluğunun atmosferden geçtikten sonra 149600000 kilometre olduğunu ve gezegenimizin yüzeyine ulaştıktan sonra kare başına ortalama 900 watt olduğunu bulmuşlardır. metre.

Burada bu enerjiyi kabul edebilir ve ondan elektrik elde etmeye, yani güneşin ışık akısının enerjisini hareketli yüklü parçacıkların enerjisine, yani elektrik. 

Işığı elektriğe dönüştürmek için bir fotoelektrik dönüştürücüye ihtiyacımız var... Bu tür dönüştürücüler çok yaygındır, serbest ticarette bulunurlar, bunlar sözde güneş pilleridir - silikondan kesilmiş plakalar şeklindeki fotovoltaik dönüştürücüler.

En iyileri monokristaldir, yaklaşık% 18'lik bir verime sahiptirler, yani güneşten gelen foton akışının enerji yoğunluğu 900 W / m2 ise, o zaman bir metrekareden 160 W elektrik alacağınıza güvenebilirsiniz. bu tür hücrelerden toplanan pil.

"Fotoelektrik etki" adı verilen bir fenomen burada çalışır. Fotoelektrik etki veya fotoelektrik etki — Bu, ışığın veya diğer elektromanyetik radyasyonun etkisi altında bir maddeden elektron emisyonu olgusudur (elektronların bir maddenin atomlarından ayrılması olgusu).

Zaten 1900'deKuantum fiziğinin babası Max Planck, ışığın daha sonra 1926'da kimyager Gilbert Lewis'in "fotonlar" adını vereceği bireysel parçacıklar veya kuantumlar tarafından yayıldığını ve emildiğini öne sürdü.

Her fotonun, E = hv — Planck sabiti çarpı emisyon frekansı formülüyle belirlenebilen bir enerjisi vardır.

Max Planck'ın fikrine uygun olarak, 1887'de Hertz tarafından keşfedilen ve ardından 1888'den 1890'a kadar Stoletov tarafından kapsamlı bir şekilde incelenen olgu açıklanabilir hale gelir. Alexander Stoletov, fotoelektrik etkiyi deneysel olarak inceledi ve fotoelektrik etkinin üç yasasını belirledi (Stoletov yasaları):

• Fotokatod üzerine düşen elektromanyetik radyasyonun sabit bir spektral bileşiminde, doygunluk fotoakımı katot ışınlaması ile orantılıdır (aksi takdirde: 1 s'de katottan atılan fotoelektronların sayısı radyasyon yoğunluğu ile doğru orantılıdır).

• Fotoelektronların maksimum başlangıç ​​hızı, gelen ışığın yoğunluğuna bağlı değildir, sadece frekansı ile belirlenir.

• Her madde için fotoelektrik etkinin kırmızı bir sınırı vardır, yani ışığın minimum frekansı (maddenin kimyasal yapısına ve yüzeyin durumuna bağlı olarak), altında fotoefektin imkansız olduğu bir sınır vardır.

Daha sonra, 1905'te Einstein, fotoelektrik etki teorisini netleştirecekti. Işığın kuantum teorisinin ve enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasının olanları ve gözlemlenenleri nasıl mükemmel bir şekilde açıkladığını gösterecek. Einstein, 1921'de Nobel Ödülü'nü kazandığı fotoelektrik etki için denklemi yazardı:

İş fonksiyonları Ve burada bir elektronun bir maddenin atomunu bırakmak için yapması gereken minimum iş.İkinci terim, elektronun çıktıktan sonraki kinetik enerjisidir.

Yani foton, atomun elektronu tarafından emilir, bu nedenle atomdaki elektronun kinetik enerjisi, emilen fotonun enerjisi miktarı kadar artar.

Bu enerjinin bir kısmı elektronu atomdan ayırmak için harcanır, elektron atomu terk eder ve serbestçe hareket etme fırsatı elde eder. Ve yönlendirilmiş hareket eden elektronlar, elektrik akımı veya fotoakımdan başka bir şey değildir. Sonuç olarak EMF'nin bir maddede fotoelektrik etki sonucunda ortaya çıkmasından bahsedebiliriz.

Yani güneş pili, içinde çalışan fotoelektrik etki sayesinde çalışır. Ancak fotovoltaik dönüştürücüde "çıkarılan" elektronlar nereye gidiyor? Fotovoltaik dönüştürücü veya güneş pili veya fotosel yarı iletken, bu nedenle, fotoğraf efekti içinde alışılmadık bir şekilde oluşur, dahili bir fotoğraf efektidir ve hatta "valf fotoğraf efekti" özel bir adına sahiptir.

Güneş ışığının etkisi altında, bir yarı iletkenin pn ekleminde bir fotoelektrik etki meydana gelir ve bir EMF ortaya çıkar, ancak elektronlar fotoselden ayrılmaz, elektronlar vücudun bir kısmından ayrılıp diğerine geçtiğinde her şey engelleme tabakasında olur. bir parçası.

Yerkabuğundaki silikon, kütlesinin %30'unu oluşturur, bu yüzden her yerde kullanılır. Genel olarak yarı iletkenlerin özelliği, ne iletken ne de dielektrik olmamaları, iletkenliklerinin safsızlıkların konsantrasyonuna, sıcaklığa ve radyasyonun etkisine bağlı olmasıdır.

Bir yarı iletkendeki bant aralığı birkaç elektron volttur ve bu sadece elektronların çekildiği atomların üst değerlik bandı seviyesi ile alt iletim seviyesi arasındaki enerji farkıdır. Silikonun bant aralığı 1,12 eV'dir; bu, güneş radyasyonunu emmek için tam da gerekli olan şeydir.

Yani pn kavşağı. Fotoseldeki katkılı silikon tabakalar bir pn bağlantısı oluşturur. Burada elektronlar için bir enerji bariyeri vardır, değerlik bandından çıkarlar ve sadece bir yönde hareket ederler, delikler ters yönde hareket eder. Güneş pilindeki akım yani güneş ışığından elektrik üretimi bu şekilde elde edilir.

Fotonların hareketine maruz kalan pn bağlantısı, yük taşıyıcıların - elektronlar ve delikler - tek bir yönden farklı bir şekilde hareket etmesine izin vermez, ayrılırlar ve bariyerin zıt taraflarında son bulurlar. Ve yük devresine üst ve alt elektrotlar aracılığıyla bağlandığında, güneş ışığına maruz kaldığında fotovoltaik dönüştürücü harici devrede oluşturacaktır. doğru elektrik akımı.