Come funziona il processo di conversione dell'energia solare in energia elettrica

Molti di noi hanno incontrato celle solari in un modo o nell'altro. Qualcuno ha usato o sta usando pannelli solari per generare elettricità per uso domestico, qualcuno usa un piccolo pannello solare per caricare il proprio gadget preferito sul campo e qualcuno ha sicuramente visto una piccola cella solare su un microcalcolatore. Alcuni hanno avuto anche la fortuna di visitarlo centrale solare. 

Ma ti sei mai chiesto come funziona il processo di conversione dell'energia solare in elettricità? Quale fenomeno fisico è alla base del funzionamento di tutte queste celle solari? Passiamo alla fisica e comprendiamo in dettaglio il processo di generazione.

Fin dall'inizio è ovvio che la fonte di energia qui è la luce del sole o, scientificamente parlando, Energia elettrica è prodotto grazie ai fotoni della radiazione solare. Questi fotoni possono essere rappresentati come un flusso di particelle elementari che si muovono costantemente dal Sole, ognuna delle quali ha energia, e quindi l'intero flusso di luce trasporta un qualche tipo di energia.

Da ogni metro quadrato della superficie del Sole vengono continuamente emessi 63 MW di energia sotto forma di radiazione! L'intensità massima di questa radiazione cade nella gamma dello spettro visibile — lunghezze d'onda da 400 a 800 nm. 

Quindi, gli scienziati hanno scoperto che la densità energetica del flusso di luce solare a una distanza dal Sole alla Terra è di 149600000 chilometri, dopo aver attraversato l'atmosfera e raggiunto la superficie del nostro pianeta, una media di circa 900 watt per quadrato metro.

Qui puoi accettare questa energia e cercare di ottenere elettricità da essa, cioè convertire l'energia del flusso luminoso del sole nell'energia delle particelle cariche in movimento, in altre parole, in elettricità. 

Per convertire la luce in elettricità, abbiamo bisogno di un convertitore fotoelettrico... Tali convertitori sono molto comuni, si trovano nel libero scambio, queste sono le cosiddette celle solari - convertitori fotovoltaici sotto forma di lastre tagliate dal silicio.

I migliori sono monocristallini, hanno un'efficienza di circa il 18%, cioè se il flusso di fotoni dal sole ha una densità di energia di 900 W / m2, allora puoi contare di ricevere 160 W di elettricità da un metro quadrato di a batteria assemblata da tali celle.

Qui funziona un fenomeno chiamato «effetto fotoelettrico». Effetto fotoelettrico o effetto fotoelettrico — Questo è il fenomeno dell'emissione di elettroni da una sostanza (il fenomeno del distacco di elettroni dagli atomi di una sostanza) sotto l'influenza della luce o di altre radiazioni elettromagnetiche.

Già nel 1900Max Planck, il padre della fisica quantistica, suggerì che la luce viene emessa e assorbita da singole particelle, o quanti, che più tardi, nel 1926, il chimico Gilbert Lewis chiamerà "fotoni".

Ogni fotone ha un'energia che può essere determinata dalla formula E = hv — la costante di Planck moltiplicata per la frequenza di emissione.

Secondo l'idea di Max Planck, diventa spiegabile il fenomeno scoperto nel 1887 da Hertz e poi studiato a fondo dal 1888 al 1890 da Stoletov. Alexander Stoletov ha studiato sperimentalmente l'effetto fotoelettrico e ha stabilito tre leggi dell'effetto fotoelettrico (leggi di Stoletov):

• A una composizione spettrale costante della radiazione elettromagnetica che cade sul fotocatodo, la fotocorrente di saturazione è proporzionale all'irradiazione del catodo (altrimenti: il numero di fotoelettroni espulsi dal catodo in 1 s è direttamente proporzionale all'intensità della radiazione).

• La massima velocità iniziale dei fotoelettroni non dipende dall'intensità della luce incidente, ma è determinata solo dalla sua frequenza.

• Per ogni sostanza esiste un limite rosso dell'effetto fotoelettrico, cioè la frequenza minima della luce (dipendente dalla natura chimica della sostanza e dallo stato della superficie) al di sotto della quale il fotoeffetto è impossibile.

Più tardi, nel 1905, Einstein chiarirà la teoria dell'effetto fotoelettrico. Mostrerà come la teoria quantistica della luce e la legge di conservazione e conversione dell'energia spieghino perfettamente cosa accade e cosa si osserva. Einstein scriverà l'equazione per l'effetto fotoelettrico, per il quale vinse il Premio Nobel nel 1921:

Funzioni lavoro Ed ecco il lavoro minimo che un elettrone deve compiere per uscire da un atomo di una sostanza.Il secondo termine è l'energia cinetica dell'elettrone dopo l'uscita.

Cioè, il fotone viene assorbito dall'elettrone dell'atomo, quindi l'energia cinetica dell'elettrone nell'atomo aumenta della quantità di energia del fotone assorbito.

Parte di questa energia viene spesa per lasciare l'elettrone dall'atomo, l'elettrone lascia l'atomo e ha l'opportunità di muoversi liberamente. E gli elettroni in movimento diretto non sono altro che corrente elettrica o fotocorrente. Di conseguenza, possiamo parlare della comparsa di campi elettromagnetici in una sostanza a seguito dell'effetto fotoelettrico.

Cioè, la batteria solare funziona grazie all'effetto fotoelettrico che opera in essa. Ma dove vanno a finire gli elettroni "abbattuti" nel convertitore fotovoltaico? Convertitore fotovoltaico o cella solare o fotocellula è semiconduttore, quindi, l'effetto foto si verifica in esso in modo insolito, è un effetto fotografico interno e ha persino un nome speciale "effetto foto valvola".

Sotto l'influenza della luce solare, si verifica un effetto fotoelettrico nella giunzione pn di un semiconduttore e appare un EMF, ma gli elettroni non lasciano la fotocellula, tutto accade nello strato di blocco quando gli elettroni lasciano una parte del corpo, passando a un'altra parte di esso.

Il silicio nella crosta terrestre è il 30% della sua massa, motivo per cui viene utilizzato ovunque. La particolarità dei semiconduttori in generale sta nel fatto che non sono né conduttori né dielettrici, la loro conducibilità dipende dalla concentrazione delle impurità, dalla temperatura e dall'effetto della radiazione.

Il bandgap in un semiconduttore è di pochi elettronvolt, ed è solo la differenza di energia tra il livello superiore della banda di valenza degli atomi, da cui vengono prelevati gli elettroni, e il livello inferiore di conduzione. Il silicio ha un bandgap di 1,12 eV, proprio quello che serve per assorbire la radiazione solare.

Quindi giunzione pn. Gli strati di silicio drogato nella fotocellula formano una giunzione pn. Qui c'è una barriera energetica per gli elettroni, lasciano la banda di valenza e si muovono in una sola direzione, i buchi si muovono nella direzione opposta. È così che si ottiene la corrente nella cella solare, cioè la generazione di elettricità dalla luce solare.

La giunzione pn, esposta all'azione dei fotoni, non permette ai portatori di carica - elettroni e lacune - di muoversi in modo diverso da una sola direzione, si separano e finiscono ai lati opposti della barriera. E quando è collegato al circuito di carico attraverso gli elettrodi superiore e inferiore, il convertitore fotovoltaico, se esposto alla luce solare, creerà nel circuito esterno corrente elettrica continua.