Hogyan működik a napenergia elektromos energiává alakításának folyamata

Sokan találkoztunk ilyen vagy olyan módon napelemekkel. Valaki használt vagy használ napelemeket elektromos áram előállítására háztartási célokra, valaki egy kis napelem segítségével tölti fel kedvenc kütyüjét a terepen, és valaki bizonyára látott már egy kis napelemet a mikrokalkulátoron. Néhányuknak még volt szerencséje meglátogatni naperőmű. 

De elgondolkozott már azon, hogyan működik a napenergia elektromos árammá alakításának folyamata? Milyen fizikai jelenség áll ezeknek a napelemeknek a működése mögött? Forduljunk a fizikához, és értsük meg részletesen a generálási folyamatot.

Kezdettől fogva nyilvánvaló, hogy itt az energiaforrás a napfény vagy tudományosan szólva Elektromos energia a napsugárzás fotonjainak köszönhetően keletkezik. Ezek a fotonok a Napból folyamatosan elmozduló elemi részecskék folyamaként ábrázolhatók, amelyek mindegyikének van energiája, ezért a teljes fényáram hordoz valamilyen energiát.

A Nap felületének minden négyzetméteréről folyamatosan 63 MW energia bocsát ki sugárzás formájában! Ennek a sugárzásnak a maximális intenzitása a látható spektrum tartományába esik - hullámhossz 400-800 nm. 

Tehát a tudósok azt találták, hogy a napfény áramlásának energiasűrűsége a Naptól a Földig terjedő távolságban 149600000 kilométer, miután áthaladt a légkörön, és bolygónk felszínére érve átlagosan körülbelül 900 watt négyzetméterenként. méter.

Itt lehet elfogadni ezt az energiát, és megpróbálni belőle áramot nyerni, vagyis a nap fényáramának energiáját mozgó töltött részecskék energiájává alakítani, más szóval, elektromosság. 

A fény elektromos árammá alakításához szükségünk van egy fotoelektromos átalakítóra... Az ilyen konverterek nagyon elterjedtek, a szabad kereskedelemben megtalálhatók, ezek az úgynevezett napelemek - fotovoltaikus átalakítók szilíciumból kivágott lemezek formájában.

A legjobbak monokristályosak, hatásfokuk körülbelül 18%, azaz ha a napból érkező fotonáram energiasűrűsége 900 W / m2, akkor 160 W elektromos áram fogadására számíthat egy négyzetméterről. ilyen cellákból összeállított akkumulátor.

Itt működik a „fotoelektromos effektusnak” nevezett jelenség. Fotoelektromos hatás vagy fotoelektromos hatás – Ez az a jelenség, amikor az anyagból elektronok emissziót okoznak (az elektronok leválásának jelensége az anyag atomjairól) fény vagy más elektromágneses sugárzás hatására.

Már 1900-banMax Planck, a kvantumfizika atyja azt javasolta, hogy a fényt egyes részecskék vagy kvantumok bocsátják ki és nyeljék el, amelyeket később, 1926-ban Gilbert Lewis kémikus "fotonoknak" nevezett el.

Minden fotonnak van egy energiája, amely az E = hv képlettel határozható meg – Planck-állandó szorozva a kibocsátás gyakoriságával.

Max Planck elképzelésének megfelelően megmagyarázhatóvá válik az a jelenség, amelyet 1887-ben Hertz fedezett fel, majd Stoletov alaposan tanulmányozott 1888-tól 1890-ig. Alekszandr Stoletov kísérletileg tanulmányozta a fotoelektromos hatást, és megállapította a fotoelektromos hatás három törvényét (Stoletov törvényei):

• A fotokatódra eső elektromágneses sugárzás állandó spektrális összetétele mellett a telítési fotoáram arányos a katód besugárzásával (egyébként: a katódból 1 s alatt kiütő fotoelektronok száma egyenesen arányos a sugárzás intenzitásával).

• A fotoelektronok maximális kezdeti sebessége nem függ a beeső fény intenzitásától, hanem csak annak frekvenciája határozza meg.

• Minden anyagra van egy vörös határérték a fotoelektromos hatásnak, vagyis az a minimális fényfrekvencia (az anyag kémiai természetétől és a felület állapotától függően), amely alatt a fotoeffektus nem lehetséges.

Később, 1905-ben Einstein tisztázta a fotoelektromos hatás elméletét. Megmutatja, hogy a fény kvantumelmélete, valamint az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye hogyan magyarázza meg tökéletesen, mi történik és mit figyelnek meg. Einstein felírta a fotoelektromos hatás egyenletét, amelyért 1921-ben Nobel-díjat kapott:

Munkafüggvények És itt van az a minimális munka, amelyet egy elektronnak el kell végeznie, hogy elhagyja az anyag atomját.A második tag az elektron kinetikus energiája a kilépés után.

Vagyis a fotont az atom elektronja nyeli el, ezért az atomban lévő elektron mozgási energiája az elnyelt foton energiamennyiségével növekszik.

Ennek az energiának egy részét arra fordítják, hogy az elektront elhagyják az atomból, az elektron elhagyja az atomot és lehetőséget kap a szabad mozgásra. Az irányított mozgó elektronok pedig nem mások, mint elektromos áram vagy fotoáram. Ennek eredményeként a fotoelektromos hatás hatására EMF megjelenéséről beszélhetünk egy anyagban.

Vagyis a napelem a benne működő fotoelektromos hatásnak köszönhetően működik. De hova kerülnek a "kiütött" elektronok a fotovoltaikus átalakítóban? Fotovoltaikus átalakító vagy napelem vagy fotocella az félvezető, ezért szokatlan módon jelentkezik benne a fotóeffektus, ez egy belső fotóeffektus, sőt külön neve is van "szelepfotóeffektus".

A napfény hatására a félvezető pn átmenetében fotoelektromos hatás lép fel, és megjelenik egy EMF, de az elektronok nem hagyják el a fotocellát, minden a blokkoló rétegben történik, amikor az elektronok elhagyják a test egyik részét, átmennek a másikba. része.

A földkéregben lévő szilícium tömegének 30%-a, ezért mindenhol használják. A félvezetők sajátossága általában abban rejlik, hogy nem vezetők és nem dielektrikumok, vezetőképességük a szennyeződések koncentrációjától, a hőmérséklettől és a sugárzás hatásától függ.

A félvezető sávszélessége néhány elektronvolt, és ez csak az atomok felső vegyértéksáv-szintje és az alsó vezetési szint közötti energiakülönbség. A szilícium sávszélessége 1,12 eV – éppen annyi, ami a napsugárzás elnyeléséhez szükséges.

Tehát pn átmenet. Az adalékolt szilícium rétegek a fotocellában pn csomópontot alkotnak. Itt energiagát van az elektronok számára, kilépnek a vegyértéksávból és csak egy irányba mozognak, a lyukak az ellenkező irányba. Így keletkezik a napelemben az áramerősség, vagyis a napfényből villamos energia keletkezik.

A fotonok hatásának kitett pn átmenet nem engedi, hogy a töltéshordozók – elektronok és lyukak – más irányban mozogjanak, mint csak egy irányban, szétválnak és a gát ellentétes oldalára kerülnek. És amikor a felső és alsó elektródán keresztül csatlakozik a terhelő áramkörhöz, a napfény hatására a fotovoltaikus átalakító a külső áramkörben hoz létre egyenáramú elektromos áram.