כיצד עובד תהליך המרת אנרגיה סולארית לאנרגיה חשמלית

רבים מאיתנו נתקלו בתאים סולאריים בצורה כזו או אחרת. מישהו השתמש או משתמש בפאנלים סולאריים לייצור חשמל למטרות ביתיות, מישהו משתמש בפאנל סולארי קטן כדי להטעין את הגאדג'ט האהוב עליו בשטח, ומישהו בהחלט ראה תא סולארי קטן במחשבון מיקרו. חלקם אפילו התמזל מזלם לבקר אותו תחנת כוח סולארית. 

אבל האם תהיתם פעם איך עובד תהליך המרת אנרגיה סולארית לחשמל? איזו תופעה פיזיקלית עומדת בבסיס פעולתם של כל התאים הסולאריים הללו? בואו נפנה לפיזיקה ונבין את תהליך היצור לפרטי פרטים.

כבר מההתחלה ברור שמקור האנרגיה כאן הוא אור השמש או, מבחינה מדעית, אנרגיה חשמלית מופק הודות לפוטונים של קרינת השמש. ניתן לייצג את הפוטונים הללו כזרם של חלקיקים יסודיים הנעים כל הזמן מהשמש, שלכל אחד מהם יש אנרגיה, ולכן זרם האור כולו נושא אנרגיה כלשהי.

מכל מטר מרובע של פני השמש נפלטת אנרגיה ברציפות של 63 מגוואט בצורת קרינה! העוצמה המקסימלית של קרינה זו נופלת על טווח הספקטרום הנראה - אורכי גל מ 400 עד 800 ננומטר. 

אז, מדענים מצאו שצפיפות האנרגיה של זרימת אור השמש במרחק מהשמש לכדור הארץ היא 149600000 קילומטרים, לאחר מעבר באטמוספירה, ועם ההגעה לפני השטח של כוכב הלכת שלנו, ממוצע של כ-900 וואט לרבוע. מטר.

כאן אתה יכול לקבל את האנרגיה הזו ולנסות לקבל ממנה חשמל, כלומר, להמיר את האנרגיה של שטף האור של השמש לאנרגיה של חלקיקים טעונים נעים, במילים אחרות, ב חַשְׁמַל. 

כדי להמיר אור לחשמל, אנחנו צריכים ממיר פוטו-אלקטרי... ממירים כאלה נפוצים מאוד, הם נמצאים במסחר חופשי, אלו הם מה שנקרא תאים סולאריים - ממירים פוטו-וולטאיים בצורת לוחות חתוכים מסיליקון.

הטובים ביותר הם חד-גבישיים, יש להם נצילות של כ-18%, כלומר, אם לזרימת הפוטונים מהשמש יש צפיפות אנרגיה של 900 W / m2, אז אתה יכול לסמוך על קבלת 160 W של חשמל ממטר מרובע של א. סוללה המורכבת מתאים כאלה.

תופעה הנקראת "האפקט הפוטואלקטרי" פועלת כאן. אפקט פוטו-אלקטרי או אפקט פוטו-אלקטרי - זוהי תופעת פליטת אלקטרונים מחומר (התופעה של ניתוק אלקטרונים מאטומים של חומר) בהשפעת אור או קרינה אלקטרומגנטית אחרת.

כבר בשנת 1900מקס פלאנק, אבי הפיזיקה הקוונטית, הציע שאור נפלט ונספג על ידי חלקיקים בודדים, או קוונטים, שלימים, ב-1926, הכימאי גילברט לואיס יכנה "פוטונים".

לכל פוטון יש אנרגיה שניתן לקבוע על ידי הנוסחה E = hv — הקבוע של פלאנק מוכפל בתדירות הפליטה.

בהתאם לרעיון של מקס פלאנק, התופעה שהתגלתה בשנת 1887 על ידי הרץ ולאחר מכן נחקרה ביסודיות מ-1888 עד 1890 על ידי סטולטוב הופכת לניתנת להסבר. אלכסנדר סטולטוב חקר בניסוי את האפקט הפוטואלקטרי וקבע שלושה חוקים של האפקט הפוטואלקטרי (חוקי סטולטוב):

• בהרכב ספקטרלי קבוע של קרינה אלקטרומגנטית הנופלת על הקתודה הפוטו-קטודה, זרם הפוטו הרוויה הוא פרופורציונלי לקרינת הקתודה (אחרת: מספר הפוטואלקטרונים שנפלטו מהקתודה תוך 1 שניות עומד ביחס ישר לעוצמת הקרינה).

• המהירות ההתחלתית המקסימלית של הפוטואלקטרונים אינה תלויה בעוצמת האור הנכנס, אלא נקבעת רק לפי התדירות שלו.

• לכל חומר יש גבול אדום של האפקט הפוטואלקטרי, כלומר, התדירות המינימלית של האור (תלוי באופי הכימי של החומר ובמצב המשטח) שמתחתיו הפוטואפקט בלתי אפשרי.

מאוחר יותר, ב-1905, איינשטיין יבהיר את התיאוריה של האפקט הפוטואלקטרי. הוא יראה כיצד תורת הקוונטים של האור וחוק שימור והמרת האנרגיה מסבירים בצורה מושלמת מה קורה ומה נצפה. איינשטיין היה כותב את המשוואה לאפקט הפוטואלקטרי, שעליו זכה בפרס נובל ב-1921:

פונקציות העבודה והנה העבודה המינימלית שאלקטרון צריך לעשות כדי להשאיר אטום של חומר.האיבר השני הוא האנרגיה הקינטית של האלקטרון לאחר היציאה.

כלומר, הפוטון נספג באלקטרון של האטום, לכן האנרגיה הקינטית של האלקטרון באטום עולה בכמות האנרגיה של הפוטון הנקלט.

חלק מהאנרגיה הזו מושקעת על השארת האלקטרון מהאטום, האלקטרון עוזב את האטום ומקבל את ההזדמנות לנוע בחופשיות. ואלקטרונים נעים מכוונים הם לא יותר מאשר זרם חשמלי או זרם פוטו. כתוצאה מכך, אנו יכולים לדבר על הופעת EMF בחומר כתוצאה מהאפקט הפוטואלקטרי.

כלומר, הסוללה הסולארית פועלת הודות לאפקט הפוטואלקטרי הפועל בה. אבל לאן הולכים האלקטרונים ה"נדפקים" בממיר הפוטו-וולטאי? ממיר פוטו-וולטאי או תא סולארי או פוטו-סל הוא מוֹלִיך לְמֶחֱצָהלכן, אפקט הצילום מתרחש בו בצורה יוצאת דופן, זהו אפקט צילום פנימי, ואף בעל שם מיוחד "אפקט צילום שסתום".

בהשפעת אור השמש מתרחשת אפקט פוטו-אלקטרי בצומת pn של מוליך למחצה ומופיע EMF, אך האלקטרונים אינם עוזבים את הפוטו-תא, הכל קורה בשכבה החוסמת כאשר האלקטרונים עוזבים חלק אחד בגוף, עוברים לאחר. חלק מזה.

הסיליקון בקרום כדור הארץ הוא 30% מהמסה שלו, וזו הסיבה שהוא משמש בכל מקום. המוזרות של מוליכים למחצה בכלל טמונה בעובדה שהם לא מוליכים ולא דיאלקטריים, המוליכות שלהם תלויה בריכוז הזיהומים, בטמפרטורה ובהשפעת הקרינה.

פער הפס במוליך למחצה הוא כמה וולט אלקטרונים, וזה רק הפרש האנרגיה בין רמת פס הערכיות העליונה של האטומים, שממנו נסוגים אלקטרונים, לבין רמת ההולכה התחתונה. לסיליקון יש פער פס של 1.12 eV - בדיוק מה שדרוש כדי לספוג קרינת שמש.

אז צומת pn. שכבות סיליקון מסוימות בתא הפוטו יוצרות צומת pn. כאן יש מחסום אנרגיה לאלקטרונים, הם עוזבים את פס הערכיות ונעים רק בכיוון אחד, חורים נעים בכיוון ההפוך. כך מתקבל הזרם בתא הסולארי, כלומר ייצור חשמל מאור השמש.

צומת ה-pn, החשוף לפעולת פוטונים, אינו מאפשר לנושאי המטען - אלקטרונים וחורים - לנוע בדרך שאינה רק בכיוון אחד, הם נפרדים ומגיעים בסופו של דבר בצדדים מנוגדים של המחסום. וכאשר הוא מחובר למעגל העומס דרך האלקטרודות העליונות והתחתונות, הממיר הפוטו-וולטאי, כאשר הוא נחשף לאור השמש, יוצר במעגל החיצוני זרם חשמלי ישיר.