Quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện hoạt động như thế nào

Nhiều người trong chúng ta đã gặp pin mặt trời bằng cách này hay cách khác. Ai đó đã sử dụng hoặc đang sử dụng tấm pin mặt trời để tạo ra điện cho mục đích gia đình, ai đó sử dụng tấm pin mặt trời nhỏ để sạc thiết bị yêu thích của họ trên cánh đồng và ai đó chắc chắn đã nhìn thấy pin mặt trời nhỏ trên máy tính siêu nhỏ. Một số thậm chí còn đủ may mắn để đến thăm anh ấy nhà máy điện mặt trời. 

Nhưng có bao giờ bạn thắc mắc quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng diễn ra như thế nào không? Hiện tượng vật lý nào làm cơ sở cho hoạt động của tất cả các pin mặt trời này? Hãy chuyển sang vật lý và hiểu chi tiết quá trình tạo.

Ngay từ đầu, rõ ràng nguồn năng lượng ở đây là ánh sáng mặt trời hay nói một cách khoa học là Năng lượng điện được tạo ra nhờ các photon của bức xạ mặt trời. Những photon này có thể được biểu diễn dưới dạng một dòng hạt cơ bản liên tục di chuyển từ Mặt trời, mỗi hạt đều có năng lượng và do đó toàn bộ dòng ánh sáng mang một loại năng lượng nào đó.

Từ mỗi mét vuông bề mặt của Mặt trời, 63 MW năng lượng liên tục được giải phóng dưới dạng bức xạ! Cường độ cực đại của bức xạ này rơi vào dải quang phổ nhìn thấy — bước sóng từ 400 đến 800 nm. 

Vì vậy, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng mật độ năng lượng của luồng ánh sáng mặt trời ở khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất là 149600000 km, sau khi đi qua bầu khí quyển và khi chạm tới bề mặt hành tinh của chúng ta, trung bình khoảng 900 watt mỗi ô vuông. mét.

Ở đây bạn có thể chấp nhận năng lượng này và cố gắng lấy điện từ nó, nghĩa là chuyển đổi năng lượng của dòng ánh sáng mặt trời thành năng lượng của các hạt tích điện chuyển động, nói cách khác, trong điện. 

Để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, chúng ta cần một bộ chuyển đổi quang điện... Những bộ chuyển đổi như vậy rất phổ biến, chúng được mua bán tự do, chúng được gọi là pin mặt trời - bộ chuyển đổi quang điện ở dạng tấm cắt từ silicon.

Tốt nhất là đơn tinh thể, chúng có hiệu suất khoảng 18%, nghĩa là nếu luồng photon từ mặt trời có mật độ năng lượng là 900 W / m2, thì bạn có thể tin tưởng vào việc nhận được 160 W điện từ một mét vuông của một pin được lắp ráp từ các tế bào như vậy.

Một hiện tượng được gọi là «hiệu ứng quang điện» hoạt động ở đây. Hiệu ứng quang điện hay hiệu ứng quang điện — Đây là hiện tượng phát xạ êlectron từ một chất (hiện tượng tách êlectron ra khỏi nguyên tử của chất đó) dưới tác dụng của ánh sáng hoặc bức xạ điện từ khác.

Đã vào năm 1900Max Planck, cha đẻ của vật lý lượng tử, cho rằng ánh sáng được phát ra và hấp thụ bởi các hạt riêng lẻ, hay lượng tử, mà sau này, vào năm 1926, nhà hóa học Gilbert Lewis sẽ gọi là "photon".

Mỗi photon có một năng lượng có thể được xác định theo công thức E = hv—Hằng số Planck nhân với tần số phát xạ.

Theo ý tưởng của Max Planck, hiện tượng được Hertz phát hiện vào năm 1887 và sau đó được Stoletov nghiên cứu kỹ lưỡng từ năm 1888 đến 1890 trở nên có thể giải thích được. Alexander Stoletov đã nghiên cứu bằng thực nghiệm hiệu ứng quang điện và thiết lập ba định luật về hiệu ứng quang điện (định luật Stoletov):

• Ở thành phần quang phổ không đổi của bức xạ điện từ chiếu vào catốt quang điện, dòng quang bão hòa tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ catốt (nếu không: số lượng quang điện tử bị bật ra khỏi catốt trong 1 giây tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ).

• Tốc độ ban đầu cực đại của các quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng tới mà chỉ được xác định bởi tần số của nó.

• Đối với mỗi chất, có một giới hạn đỏ của hiệu ứng quang điện, nghĩa là tần số ánh sáng tối thiểu (tùy thuộc vào bản chất hóa học của chất và trạng thái của bề mặt), dưới đó hiệu ứng quang điện không thể xảy ra.

Sau đó, vào năm 1905, Einstein đã làm sáng tỏ lý thuyết về hiệu ứng quang điện. Ông sẽ chỉ ra cách thuyết lượng tử ánh sáng và định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng giải thích hoàn hảo những gì xảy ra và những gì quan sát được. Einstein sẽ viết phương trình cho hiệu ứng quang điện mà ông đã đoạt giải Nobel năm 1921:

Hàm công Và đây là công tối thiểu mà một electron phải thực hiện để rời khỏi nguyên tử của một chất.Số hạng thứ hai là động năng của electron sau khi thoát ra.

Tức là photon bị electron của nguyên tử hấp thụ, do đó động năng của electron trong nguyên tử tăng bằng lượng năng lượng của photon bị hấp thụ.

Một phần năng lượng này được sử dụng để rời electron khỏi nguyên tử, electron rời khỏi nguyên tử và có cơ hội di chuyển tự do. Và các electron chuyển động có hướng không gì khác hơn là dòng điện hoặc quang điện. Do đó, chúng ta có thể nói về sự xuất hiện của EMF trong một chất do hiệu ứng quang điện.

Tức là pin năng lượng mặt trời hoạt động nhờ hiệu ứng quang điện hoạt động trong nó. Nhưng các electron "bị loại" sẽ đi đâu trong bộ chuyển đổi quang điện? Bộ chuyển đổi quang điện hoặc pin mặt trời hoặc tế bào quang điện là chất bán dẫn, do đó, hiệu ứng ảnh xảy ra trong đó theo một cách khác thường, đó là hiệu ứng ảnh bên trong và thậm chí còn có một tên đặc biệt là "hiệu ứng ảnh van".

Dưới tác động của ánh sáng mặt trời, hiệu ứng quang điện xảy ra ở tiếp giáp pn của chất bán dẫn và EMF xuất hiện, nhưng các electron không rời khỏi tế bào quang điện, mọi thứ xảy ra trong lớp chặn khi các electron rời khỏi phần này của cơ thể, truyền sang phần khác phần của nó.

Silicon trong vỏ trái đất chiếm 30% khối lượng của nó, đó là lý do tại sao nó được sử dụng ở mọi nơi. Điểm đặc biệt của chất bán dẫn nói chung nằm ở chỗ chúng không phải là chất dẫn điện cũng không phải chất điện môi, độ dẫn điện của chúng phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, nhiệt độ và tác dụng của bức xạ.

Khoảng cách vùng cấm trong một chất bán dẫn là vài electron vôn, và đó chỉ là sự chênh lệch năng lượng giữa mức dải hóa trị trên của các nguyên tử, từ đó các electron bị rút ra, và mức dẫn điện thấp hơn. Silicon có vùng cấm là 1,12 eV—chính xác là mức cần thiết để hấp thụ bức xạ mặt trời.

Vậy ngã ba pn. Các lớp silicon pha tạp trong tế bào quang điện tạo thành mối nối pn. Ở đây có một hàng rào năng lượng đối với các electron, chúng rời khỏi dải hóa trị và chỉ chuyển động theo một hướng, các lỗ trống chuyển động theo hướng ngược lại. Đây là cách thu được dòng điện trong pin mặt trời, tức là tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời.

Tiếp giáp pn, tiếp xúc với tác động của các photon, không cho phép các hạt mang điện — electron và lỗ trống — di chuyển theo một cách khác ngoài một hướng, chúng tách ra và kết thúc ở hai phía đối diện của rào cản. Và khi được kết nối với mạch tải thông qua các điện cực trên và dưới, bộ chuyển đổi quang điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra ở mạch ngoài dòng điện trực tiếp.