Како функционише процес претварања сунчеве енергије у електричну енергију

Многи од нас су се на овај или онај начин сусрели са соларним ћелијама. Неко је користио или користи соларне панеле за производњу електричне енергије за потребе домаћинства, неко користи мали соларни панел за пуњење свог омиљеног гаџета на терену, а неко је сигурно видео малу соларну ћелију на микро калкулатору. Неки су чак имали среће да га посете соларна електрана. 

Али да ли сте се икада запитали како функционише процес претварања сунчеве енергије у електричну? Који физички феномен лежи у основи рада свих ових соларних ћелија? Хајде да се окренемо физици и детаљно разумемо процес генерисања.

Од самог почетка је очигледно да је извор енергије овде сунчева светлост или, научно речено, Електрична енергија настаје захваљујући фотонима сунчевог зрачења. Ови фотони се могу представити као ток елементарних честица које се непрестано крећу од Сунца, од којих свака има енергију, па стога цео светлосни ток носи неку врсту енергије.

Са сваког квадратног метра површине Сунца непрекидно се емитује 63 МВ енергије у облику зрачења! Максимални интензитет овог зрачења пада на опсег видљивог спектра — таласне дужине од 400 до 800 нм. 

Дакле, научници су открили да је густина енергије тока сунчеве светлости на удаљености од Сунца до Земље 149600000 километара, након проласка кроз атмосферу, а по доласку на површину наше планете, у просеку око 900 вати по квадрату метар.

Овде можете прихватити ову енергију и покушати да добијете електричну енергију од ње, односно да претворите енергију светлосног флукса сунца у енергију кретања наелектрисаних честица, другим речима, у електрична енергија. 

За претварање светлости у електричну енергију потребан нам је фотоелектрични претварач... Овакви претварачи су веома чести, налазе се у слободној трговини, то су такозване соларне ћелије – фотонапонски претварачи у виду плоча исечених од силицијума.

Најбољи су монокристални, имају ефикасност од око 18%, односно ако ток фотона са сунца има густину енергије од 900 В/м2, онда можете рачунати да ћете добити 160 В електричне енергије са квадратног метра површине. батерија састављена од таквих ћелија.

Овде функционише феномен који се зове "фотоелектрични ефекат". Фотоелектрични ефекат или фотоелектрични ефекат — Ово је феномен емисије електрона из супстанце (феномен одвајања електрона од атома супстанце) под утицајем светлости или другог електромагнетног зрачења.

Већ 1900. годМакс Планк, отац квантне физике, сугерисао је да светлост емитују и апсорбују појединачне честице, или кванти, које ће касније, 1926. године, хемичар Гилберт Луис назвати „фотони“.

Сваки фотон има енергију која се може одредити формулом Е = хв — Планкова константа помножена са фреквенцијом емисије.

У складу са идејом Макса Планка, феномен који је 1887. открио Херц, а затим темељно проучавао Столетов од 1888. до 1890. постаје објашњив. Александар Столетов је експериментално проучавао фотоелектрични ефекат и установио три закона фотоелектричног ефекта (Столетовљеви закони):

• При константном спектралном саставу електромагнетног зрачења које пада на фотокатоду, фотоструја засићења је пропорционална зрачењу катоде (иначе: број фотоелектрона који су избачени из катоде за 1 с је директно пропорционалан интензитету зрачења).

• Максимална почетна брзина фотоелектрона не зависи од интензитета упадне светлости, већ је одређена само њеном фреквенцијом.

• За сваку супстанцу постоји црвена граница фотоелектричног ефекта, односно минимална фреквенција светлости (у зависности од хемијске природе супстанце и стања површине) испод које је фотоефекат немогућ.

Касније, 1905. године, Ајнштајн ће разјаснити теорију фотоелектричног ефекта. Он ће показати како квантна теорија светлости и закон одржања и конверзије енергије савршено објашњавају шта се дешава и шта се посматра. Ајнштајн би написао једначину за фотоелектрични ефекат, за који је добио Нобелову награду 1921:

Радне функције А ево минималног рада који електрон мора да уради да би напустио атом супстанце.Други члан је кинетичка енергија електрона након изласка.

То јест, фотон је апсорбован од стране електрона атома, па се кинетичка енергија електрона у атому повећава за количину енергије апсорбованог фотона.

Део ове енергије се троши на излазак електрона из атома, електрон напушта атом и добија прилику да се слободно креће. А усмерени електрони који се крећу нису ништа друго до електрична струја или фотоструја. Као резултат тога, можемо говорити о појави ЕМФ-а у супстанци као резултат фотоелектричног ефекта.

То јест, соларна батерија ради захваљујући фотоелектричном ефекту који делује у њој. Али где иду „избијени“ електрони у фотонапонском претварачу? Фотонапонски претварач или соларна ћелија или фотоћелија је полупроводник, дакле, фото ефекат се у њему јавља на необичан начин, то је интерни фото ефекат, па чак има и посебан назив "вентил фото ефекат".

Под утицајем сунчеве светлости у пн споју полупроводника настаје фотоелектрични ефекат и појављује се ЕМФ, али електрони не напуштају фотоћелију, све се дешава у блоковном слоју када електрони напусте један део тела, прелазећи у други Део тога.

Силицијум у земљиној кори чини 30% његове масе, због чега се користи свуда. Посебност полупроводника уопште је у томе што они нису ни проводници ни диелектрици, њихова проводљивост зависи од концентрације нечистоћа, од температуре и од дејства зрачења.

Појасни размак у полупроводнику је неколико електрон волти, и то је само разлика у енергији између горњег нивоа валентног појаса атома, из којег се повлаче електрони, и доњег нивоа проводљивости. Силицијум има појас од 1,12 еВ - управо оно што је потребно да апсорбује сунчево зрачење.

Дакле, пн спој. Допирани силицијумски слојеви у фотоћелији формирају пн спој. Овде постоји енергетска баријера за електроне, они напуштају валентни појас и крећу се само у једном правцу, рупе се крећу у супротном смеру. Тако се добија струја у соларној ћелији, односно производња електричне енергије из сунчеве светлости.

Пн спој, изложен дејству фотона, не дозвољава носиоцима наелектрисања - електронима и рупама - да се крећу на начин који није само у једном правцу, они се одвајају и завршавају на супротним странама баријере. А када је повезан са струјним колом преко горње и доње електроде, фотонапонски претварач, када је изложен сунчевој светлости, ствараће се у спољашњем колу једносмерна електрична струја.