Com funciona el procés de conversió de l'energia solar en energia elèctrica

Molts de nosaltres ens hem trobat amb cèl·lules solars d'una manera o altra. Algú ha utilitzat o està utilitzant plaques solars per generar electricitat amb finalitats domèstiques, algú fa servir un petit panell solar per carregar el seu aparell preferit al camp i, sens dubte, algú ha vist una petita cèl·lula solar en una micro calculadora. Alguns fins i tot van tenir la sort de visitar-lo central d'energia solar. 

Però us heu preguntat mai com funciona el procés de conversió de l'energia solar en electricitat? Quin fenomen físic és el subjacent al funcionament de totes aquestes cèl·lules solars? Passem a la física i entenem el procés de generació en detall.

Des del principi és obvi que la font d'energia aquí és la llum solar o, científicament parlant, Energia elèctrica es produeix gràcies als fotons de la radiació solar. Aquests fotons es poden representar com un corrent de partícules elementals que es mouen constantment des del Sol, cadascuna de les quals té energia i, per tant, tot el corrent de llum transporta algun tipus d'energia.

De cada metre quadrat de la superfície del Sol, s'emeten contínuament 63 MW d'energia en forma de radiació! La intensitat màxima d'aquesta radiació cau en el rang de l'espectre visible: longituds d'ona de 400 a 800 nm. 

Així doncs, els científics han descobert que la densitat energètica del flux de llum solar a una distància del Sol a la Terra és de 149600000 quilòmetres, després de passar per l'atmosfera, i en arribar a la superfície del nostre planeta, una mitjana d'uns 900 watts per quadrat. metre.

Aquí podeu acceptar aquesta energia i intentar treure'n electricitat, és a dir, convertir l'energia del flux de llum del sol en energia de partícules carregades en moviment, és a dir, en electricitat. 

Per convertir la llum en electricitat necessitem un convertidor fotoelèctric... Aquests convertidors són molt comuns, es troben en el lliure comerç, es tracta de les anomenades cèl·lules solars - convertidors fotovoltaics en forma de plaques tallades de silici.

Els millors són monocristal·lins, tenen una eficiència al voltant del 18%, és a dir, si el flux de fotons del sol té una densitat d'energia de 900 W/m2, es pot comptar amb rebre 160 W d'electricitat d'un metre quadrat d'un bateria muntada a partir d'aquestes cèl·lules.

Aquí funciona un fenomen anomenat «efecte fotoelèctric». Efecte fotoelèctric o efecte fotoelèctric — Aquest és el fenomen d'emissió d'electrons d'una substància (el fenomen de despreniment d'electrons dels àtoms d'una substància) sota la influència de la llum o d'una altra radiació electromagnètica.

Ja l'any 1900Max Planck, el pare de la física quàntica, va suggerir que la llum és emesa i absorbida per partícules individuals, o quants, que més tard, el 1926, el químic Gilbert Lewis anomenaria "fotons".

Cada fotó té una energia que es pot determinar amb la fórmula E = hv — constant de Planck multiplicada per la freqüència d'emissió.

D'acord amb la idea de Max Planck, el fenomen descobert el 1887 per Hertz i després estudiat a fons entre 1888 i 1890 per Stoletov esdevé explicable. Alexander Stoletov va estudiar experimentalment l'efecte fotoelèctric i va establir tres lleis de l'efecte fotoelèctric (lleis de Stoletov):

• A una composició espectral constant de la radiació electromagnètica que cau sobre el fotocàtode, el fotocorrent de saturació és proporcional a la irradiació del càtode (en cas contrari: el nombre de fotoelectrons eliminats del càtode en 1 s és directament proporcional a la intensitat de la radiació).

• La velocitat inicial màxima dels fotoelectrons no depèn de la intensitat de la llum incident, sinó que està determinada només per la seva freqüència.

• Per a cada substància hi ha un límit vermell de l'efecte fotoelèctric, és a dir, la freqüència mínima de llum (segons la naturalesa química de la substància i l'estat de la superfície) per sota de la qual el fotoefecte és impossible.

Més tard, el 1905, Einstein aclariria la teoria de l'efecte fotoelèctric. Mostrarà com la teoria quàntica de la llum i la llei de conservació i conversió de l'energia expliquen perfectament què passa i què s'observa. Einstein escriuria l'equació de l'efecte fotoelèctric, pel qual va guanyar el Premi Nobel el 1921:

Funcions de treball I aquí teniu el treball mínim que ha de fer un electró per deixar un àtom d'una substància.El segon terme és l'energia cinètica de l'electró després de la sortida.

És a dir, el fotó és absorbit per l'electró de l'àtom, per tant l'energia cinètica de l'electró de l'àtom augmenta en la quantitat d'energia del fotó absorbit.

Part d'aquesta energia es gasta en sortir de l'electró de l'àtom, l'electró abandona l'àtom i té l'oportunitat de moure's lliurement. I els electrons en moviment dirigits no són més que corrent elèctric o fotocorrent. Com a resultat, podem parlar de l'aparició de CEM en una substància com a resultat de l'efecte fotoelèctric.

És a dir, la bateria solar funciona gràcies a l'efecte fotoelèctric que hi actua. Però, on van els electrons "eliminats" al convertidor fotovoltaic? Convertidor fotovoltaic o cèl·lula solar o fotocèl·lula és semiconductor, per tant, l'efecte fotogràfic es produeix d'una manera inusual, és un efecte fotogràfic intern i fins i tot té un nom especial "efecte fotogràfic de vàlvula".

Sota la influència de la llum solar es produeix un efecte fotoelèctric a la unió pn d'un semiconductor i apareix un EMF, però els electrons no surten de la fotocèl·lula, tot passa a la capa de bloqueig quan els electrons surten d'una part del cos, passant a una altra. part d'ella.

El silici de l'escorça terrestre és el 30% de la seva massa, per això s'utilitza a tot arreu. La particularitat dels semiconductors en general rau en el fet que no són ni conductors ni dielèctrics, la seva conductivitat depèn de la concentració d'impureses, de la temperatura i de l'efecte de la radiació.

El buit de banda en un semiconductor és d'uns pocs electronvolts, i és només la diferència d'energia entre el nivell de banda de valència superior dels àtoms, del qual es retiren els electrons, i el nivell de conducció inferior. El silici té un interval de banda d'1,12 eV, just el que es necessita per absorbir la radiació solar.

Així que pn unió. Les capes de silici dopades a la fotocèl·lula formen una unió pn. Aquí hi ha una barrera energètica per als electrons, surten de la banda de valència i es mouen només en una direcció, els forats es mouen en sentit contrari. Així s'obté el corrent a la cèl·lula solar, és a dir, la generació d'electricitat a partir de la llum solar.

La unió pn, exposada a l'acció dels fotons, no permet que els portadors de càrrega —electrons i forats— es moguin d'una altra manera que no sigui només una direcció, se separen i acaben a costats oposats de la barrera. I quan es connecta al circuit de càrrega a través dels elèctrodes superior i inferior, el convertidor fotovoltaic, quan s'exposa a la llum solar, es crearà al circuit extern. corrent elèctric continu.