Jak funguje proces přeměny sluneční energie na elektrickou energii

Mnoho z nás se tak či onak setkalo se solárními články. Někdo používal nebo používá solární panely k výrobě elektřiny pro domácí účely, někdo používá malý solární panel k nabíjení svého oblíbeného gadgetu v terénu a někdo jistě viděl malý solární článek na mikrokalkulačce. Někteří měli to štěstí, že ho navštívili solární elektrárna. 

Napadlo vás ale někdy, jak probíhá proces přeměny sluneční energie na elektřinu? Jaký fyzikální jev je základem fungování všech těchto solárních článků? Vraťme se k fyzice a podrobně pochopme proces generování.

Od samého počátku je zřejmé, že zdrojem energie je zde sluneční světlo nebo vědecky řečeno, Elektrická energie vzniká díky fotonům slunečního záření. Tyto fotony lze znázornit jako proud elementárních částic neustále se pohybujících od Slunce, z nichž každá má energii, a proto celý světelný proud nese nějaký druh energie.

Z každého čtverečního metru povrchu Slunce je nepřetržitě vyzařováno 63 MW energie ve formě záření! Maximální intenzita tohoto záření spadá do oblasti viditelného spektra — vlnové délky od 400 do 800 nm. 

Vědci tedy zjistili, že hustota energie toku slunečního světla ve vzdálenosti od Slunce k Zemi je 1 496 000 000 kilometrů po průchodu atmosférou a po dosažení povrchu naší planety v průměru asi 900 wattů na čtverec. Metr.

Zde můžete tuto energii přijmout a pokusit se z ní získat elektřinu, tedy přeměnit energii světelného toku slunce na energii pohybujících se nabitých částic, jinými slovy v elektřina. 

K přeměně světla na elektřinu potřebujeme fotoelektrický konvertor... Takové konvertory jsou velmi běžné, nacházejí se ve volném obchodu, jedná se o tzv. solární články - fotovoltaické konvertory v podobě desek vyřezaných z křemíku.

Nejlepší jsou monokrystalické, ty mají účinnost kolem 18%, to znamená, že pokud má tok fotonů ze slunce hustotu energie 900 W/m2, můžete počítat s příjmem 160 W elektřiny z metru čtverečního. baterie sestavené z takových článků.

Funguje zde jev zvaný «fotoelektrický efekt». Fotoelektrický jev nebo fotoelektrický jev — Jedná se o jev emise elektronů z látky (jev oddělení elektronů od atomů látky) pod vlivem světla nebo jiného elektromagnetického záření.

Již v roce 1900Max Planck, otec kvantové fyziky, navrhl, že světlo je emitováno a absorbováno jednotlivými částicemi neboli kvanty, které později, v roce 1926, chemik Gilbert Lewis nazval „fotony“.

Každý foton má energii, která může být určena vzorcem E = hv — Planckova konstanta násobená frekvencí emise.

V souladu s myšlenkou Maxe Plancka se fenomén objevený v roce 1887 Hertzem a poté důkladně prostudovaný v letech 1888 až 1890 Stoletovem stává vysvětlitelným. Alexander Stoletov experimentálně studoval fotoelektrický jev a stanovil tři zákony fotoelektrického jevu (Stoletovovy zákony):

• Při konstantním spektrálním složení elektromagnetického záření dopadajícího na fotokatodu je saturační fotoproud úměrný ozáření katody (jinak: počet fotoelektronů vyražených z katody za 1 s je přímo úměrný intenzitě záření).

• Maximální počáteční rychlost fotoelektronů nezávisí na intenzitě dopadajícího světla, ale je určena pouze jeho frekvencí.

• Pro každou látku existuje červená mez fotoelektrického jevu, tedy minimální frekvence světla (v závislosti na chemické povaze látky a stavu povrchu), pod kterou je fotoefekt nemožný.

Později, v roce 1905, Einstein objasnil teorii fotoelektrického jevu. Ukáže, jak kvantová teorie světla a zákon zachování a přeměny energie dokonale vysvětlují, co se děje a co je pozorováno. Einstein napsal rovnici pro fotoelektrický jev, za který získal v roce 1921 Nobelovu cenu:

Pracovní funkce A zde je minimální práce, kterou musí elektron vykonat, aby opustil atom látky.Druhý člen je kinetická energie elektronu po výstupu.

To znamená, že foton je absorbován elektronem atomu, proto se kinetická energie elektronu v atomu zvyšuje o množství energie absorbovaného fotonu.

Část této energie je vynaložena na opuštění elektronu z atomu, elektron opustí atom a dostane možnost se volně pohybovat. A usměrněné pohybující se elektrony nejsou nic jiného než elektrický proud nebo fotoproud. V důsledku toho můžeme mluvit o výskytu EMF v látce v důsledku fotoelektrického jevu.

To znamená, že solární baterie funguje díky fotoelektrickému jevu, který v ní působí. Kam se ale ve fotovoltaickém měniči poděly „vyklepané“ elektrony? Fotovoltaický konvertor nebo solární článek nebo fotočlánek je polovodič, proto se v něm fotoefekt vyskytuje nezvyklým způsobem, jde o vnitřní fotoefekt a má dokonce zvláštní název „ventilový fotoefekt“.

Vlivem slunečního záření dochází k fotoelektrickému jevu v pn přechodu polovodiče a vzniká EMF, ale elektrony neopouštějí fotočlánek, vše se děje v blokovací vrstvě, když elektrony opouštějí jednu část těla a přecházejí do druhé část toho.

Křemík v zemské kůře tvoří 30 % její hmotnosti, proto se všude používá. Zvláštnost polovodičů obecně spočívá v tom, že nejsou vodiči ani dielektriky, jejich vodivost závisí na koncentraci nečistot, na teplotě a na vlivu záření.

Bandgap v polovodiči je několik elektronvoltů a je to jen energetický rozdíl mezi horní úrovní valenčního pásma atomů, ze kterého jsou elektrony stahovány, a spodní úrovní vodivosti. Křemík má pásmovou mezeru 1,12 eV – přesně to, co je potřeba k absorpci slunečního záření.

Takže pn křižovatka. Dopované křemíkové vrstvy ve fotočlánku tvoří pn přechod. Zde je pro elektrony energetická bariéra, opouštějí valenční pásmo a pohybují se pouze jedním směrem, otvory se pohybují opačným směrem. Takto se získává proud v solárním článku, tedy výroba elektřiny ze slunečního záření.

Pn přechod, vystavený působení fotonů, neumožňuje nosičům náboje — elektronům a dírám — pohybovat se jiným způsobem než jen jedním směrem, oddělují se a končí na opačných stranách bariéry. A když je fotovoltaický měnič připojen k zátěžovému obvodu přes horní a spodní elektrodu, při vystavení slunečnímu záření vytvoří ve vnějším obvodu stejnosměrný elektrický proud.