Преобразование солнечной энергии в электрическую
Перейти к содержимому

Преобразование солнечной энергии в электрическую

  • автор:

Принцип выработки энергии солнечной панели

solar PV diagram

Солнце светит на полупроводниковый pn-переход, образуя новую пару дырок-электронов. Под действием электрического поля на pn-переходе дырка течет из p-области в n-область, а электрон течет из n-области в p-область. Вот так работают фотоэлектрические солнечные элементы.

Solar thermal heat power plant

Выработка солнечной энергии Существует два способа выработки солнечной энергии: один режим преобразования света в тепло, другой режим прямого преобразования света в электричество.

(1) режим преобразования свет-тепло-электричество использует тепловую энергию, генерируемую солнечным излучением, для выработки электроэнергии. Как правило, солнечный коллектор преобразует поглощенную тепловую энергию в пар рабочей среды и приводит в движение паровую турбину для выработки электроэнергии. Первый процесс — это процесс преобразования света в тепло; Последний процесс — термоэлектрическое преобразование.

(2) метод прямого преобразования света в электричество использует фотоэлектрический эффект для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Основным устройством преобразования света в электричество является солнечная батарея. Солнечная батарея является своего рода устройством, которое напрямую преобразует энергию солнечного света в электрическую энергию благодаря фотоэлектрическому эффекту. Это полупроводниковый фотодиод. Когда солнечный свет попадает на фотодиод, фотодиод преобразует энергию солнечного света в электрическую и генерирует ток. Когда многие ячейки соединены последовательно или параллельно, они могут стать солнечными батареями с относительно большой выходной мощностью.

Виды преобразователей солнечной энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ / СОЛНЕЧНАЯ ПАНЕЛЬ / СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР / СОЛНЕЧНАЯ ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ / ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА / TRANSFORMATION OF SOLAR ENERGY / SOLAR PANEL / SOLAR THERMAL COLLECTOR / RENEWABLE ENERGY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Белова Яна Сергеевна

В статье приведена статистическая информация по солнечному излучению, достигающему поверхности планеты; рассматриваются различные виды преобразователей солнечного излучения в тепловую или электрическую энергию; приведена классификация преобразователей в зависимости от типа получаемой энергии (фотоэлектрические преобразователи, солнечные коллекторы и тепловые станции), их краткое описание и принцип функционирования; указаны преимущества, недостатки, примерный период эксплуатации отдельных установок и черты, отличающие их друг от друга.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Белова Яна Сергеевна

Создание инновационной отрасли солнечной энергетики
Перспективы и особенности работы солнечных фотоэлектрических станций
Обзор солнечных панелей и фотоэлектрических станций отечественных производителей
Состояние гелиоэнергетики в мире
Фотоконцентраторы для морских и береговых энергетических комплексов
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TYPES OF SOLAR ENERGY EQUIPMENT

The article is devoted to different types of installations, which transform solar radiation into thermal or electrical energy; the classification of different installation types, depending on obtained energy forms, are observed: photovoltaic technologies, solar thermal collectors and solar power stations (as well as their brief description, operating principles). The advantages, disadvantages, approximate period of operation of individual plants and features that distinguish them from each other are indicated.

Текст научной работы на тему «Виды преобразователей солнечной энергии»

ВИДЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Белова Я.С. Email: Belova1158@scientifictext.ru

Белова Яна Сергеевна — студент, факультет прикладной экономики и коммерции, Московский государственный институт международных отношений, г. Москва

Аннотация: в статье приведена статистическая информация по солнечному излучению, достигающему поверхности планеты; рассматриваются различные виды преобразователей солнечного излучения в тепловую или электрическую энергию; приведена классификация преобразователей в зависимости от типа получаемой энергии (фотоэлектрические преобразователи, солнечные коллекторы и тепловые станции), их краткое описание и принцип функционирования; указаны преимущества, недостатки, примерный период эксплуатации отдельных установок и черты, отличающие их друг от друга. Ключевые слова: преобразование солнечной энергетики, солнечная панель, солнечный коллектор, солнечная тепловая электростанция, возобновляемая энергетика.

TYPES OF SOLAR ENERGY EQUIPMENT Belova Y^S.

Belova Yana Sergeevna — Student, SCHOOL OF APPLIED ECONOMICS AND COMMERCE, MOSCOW STATE INSTITUTE OF INTERNATIONAL RELATIONS, MOSCOW

Abstract: the article is devoted to different types of installations, which transform solar radiation into thermal or electrical energy; the classification of different installation types, depending on obtained energy forms, are observed: photovoltaic technologies, solar thermal collectors and solar power stations (as well as their brief description, operating principles). The advantages, disadvantages, approximate period of operation of individual plants and features that distinguish them from each other are indicated.

Keywords: transformation of solar energy, solar panel, solar thermal collector, solar thermal collector, renewable energy.

Общее количество энергии, поступающей от Солнца к нашей планете, составляет 123 трлн т условного топлива в год. Данное значение в 3000 раз больше, чем энергия остальных видов топлива. Технический потенциал солнечной энергии приблизительно равен 0,1% от валового (указан выше) [1], что представляет собой 123 млн т у. т. Говоря об энергетическом потенциале, стоит отметить также такой показатель, как солнечная постоянная. Это количество энергии, которое приходится на какую-либо площадь конкретной планеты. Так, для Земли этот показатель в среднем приблизительно равняется 1370 Вт/м2. Таким образом, мы можем видеть, что возможности использования солнечной энергии велики.

Преобразование солнечной энергетики можно разделить на два типа: преобразование в тепловую или электрическую энергию. В зависимости от этого отличаются друг от друга и установки, осуществляющие данное преобразование: для первого способа существуют солнечные коллекторы, для второго — солнечные батареи. Ко всему прочему можно выделить еще и солнечные тепловые электростанции, которые могут рассматриваться как промежуточное звено между двумя типами преобразований (Рис. 1).

преобразование солнечной энергии

Рис. 1. Преобразование солнечной энергии (составлено автором)

1.1. Солнечные коллекторы представляют собой устройства, трансформирующие энергию Солнца в тепло. Система солнечного коллектора состоит из следующих элементов: коллектор, контур для теплообмена и тепловой аккумулятор (бак с жидкостью). Принцип работы прост: циркулирующая жидкость (вода или антифриз) нагревается в солнечном коллекторе, передает энергию аккумуляционному баку, где депонирующаяся вода нагревается и хранится до востребования.

Всего существуют три вида конструкций солнечных коллекторов [2]:

1. Плоский коллектор: плоская емкость, содержащая слой, способный абсорбировать тепло; в роли теплоносителя (поступающего по трубкам, соединенным с абсорбирующим слоем) циркулирует пропилен-гликоль; сама конструкция покрыта стеклом. Данная установка является простой, принцип действия полностью повторяет базовый, указанный выше.

2. Вакуумный коллектор: состоит из нескольких стеклянных полых трубок, внутри которых содержатся меньшие по размеру трубки с поглотителем тепловой энергии; в роли теплоизоляции выступает вакуум между трубками. Принцип работы: поглотитель энергии (например, эфир) нагревается, испаряется и передает тепло теплообменнику, осуществляющему нагрев теплоносителя, который и поступает в бак, где депонируется вода [3].

3. Воздушный коллектор: устройство, в котором воздух контактирует с нагревательным элементом и подается на обогрев помещения; редко применяется, т.к. в отличие от жидкости воздух менее эффективно проводит тепло.

Сравнивая данные виды солнечных коллекторов, стоит отметить, что плоские коллекторы пользуются большей популярностью, т.к. они прочнее и в некоторых случаях эффективнее. В свою очередь, вакуумные коллекторы обладают более хрупкой конструкцией, у них самый низкий срок жизни (обычно 15-30 лет, у вакуумных — в районе 10-15), но перед плоскими у них есть преимущество: при повреждении плоский коллектор требует полной замены, в то время как вакуумный — лишь поврежденной трубки. К тому же, он дольше сохраняет тепло в очень холодную погоду. Воздушный коллектор хотя и является менее эффективным по сравнению с двумя вышеуказанными, но при низких температурах нет проблемы замерзания жидкости [4].

Солнечные коллекторы могут применяться в целях горячего водоснабжения, отопления, подогрева бассейнов.

1.2. Солнечные батареи — система, преобразующая солнечную энергию в электричество и представляющая собой совокупность фотоэлементов, объединенных в общий корпус,

покрытых прозрачной панелью с лицевой стороны. Систему солнечных батарей называют фотоэлектрической установкой.

Принцип работы: лучи падают на отрицательно заряженную панель, полупроводник нагревается, частично поглощая их энергию. Приток энергии высвобождает отрицательно заряженные частицы — электроны — внутри полупроводника. В результате на их месте остаются пустоты, а освободившиеся электроны начинают блуждать по кристаллической решетке. Под воздействием электрического поля происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц. Таким образом, появляется разность потенциалов, или постоянное напряжение. Свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, и этот поток и образует электрический ток. Если приложить металлические контакты к верхней и нижней части фотоэлемента, то полученный ток направляется по проводам и его можно использовать для работы различных устройств.

Солнечные батареи бывают кремниевые и пленочные. В свою очередь, среди кремниевых батарей выделяют [5]:

1. Монокристаллические. В основе установки — монокристаллический кремний. На данный момент такие установки являются наиболее распространенными. Кремний очищается, плавится и кристаллизуется в слитках, которые разрезают на тонкие слои (200 микрон), через которые проходит сетка из металлических электродов. При прямом солнечном свете и температуре +25 °С эффективность элемента может достигать 19%.

2. Поликристаллические. Технология сходна с вышеуказанной, но при изготовлении используется менее чистый кремний. Эффективность: 14-16%.

3. Ленточный кремний. Отличие от предыдущих типов в том, что кремний наращивается тонким слоем в виде лент, а не отрезается от кристалла. Данные установки редки и мало применяются.

4. Аморфный кремний. При изготовлении данных пластин кремний напыляется в вакууме на стекло, металл или пластик. Данный тип — более дешевый, но недолговечный: кремний очень быстро выгорает на свету, что приводит к снижению производительности уже через 2-3 месяца, а у некачественных производителей через пару лет эффективность может упасть до нуля (при начале эксплуатации — 6-9%). Срок службы: около 10 лет.

В целом, панели последнего типа удобнее использовать в пустынях, где в наличии имеются огромные территории и избыточное освещение. Для частных домов, построек или небольших предприятий монокристаллические и поликристаллические панели — наилучшее решение, т.к. у них энергоэффективность высока и срок службы значительно дольше.

В свою очередь, в основе тонкопленочных батарей могут лежать медно-галлиевые, теллур-кадмиевые и др. вещества. Такие панели обладают рядом достоинств. К примеру, они используются при создании гибких мобильных модулей. Также тонкие слои можно наносить на стекло, оставляя его прозрачным (но энергоэффективность такой панели мала, что делает данную технологию непопулярной). Срок службы такой установки: 10-15 лет в лучшем случае. При этом стоит заметить, что по мере эксплуатации энергоэффективность постепенно будет снижаться уже после первых лет функционирования.

1.3. Солнечная тепловая электростанция. Данная установка представляет собой совокупность зеркал, фокусирующих солнечный свет, и специальную башню, улавливающую его. Принцип работы: солнечная энергия улавливается зеркалами и направляется в башню, где происходит нагревание теплоносителя, преобразующегося в пар. В дальнейшем пар поступает в парогенератор, где процесс получения энергии схож с ТЭЦ. Данный способ преобразования солнечной энергии имеет свои достоинства. Так, КПД около 40%, при этом есть возможность аккумулировать тепло, что позволяет станции работать круглосуточно. К недостаткам можно отнести высокую себестоимость и сложность эксплуатации.

Примером данной установки является солнечная тепловая станция в Испании (Севилья). Данная станция содержит 1225 зеркал и обеспечивает энергией 60 000 домов, при этом к концу проекта их число должно возрасти до 180 000. Также предполагается, что только за

счет этой станции выбросы углекислого газа в атмосферу сократятся на 600 тыс. тонн (ежегодно). При этом данный проект является коммерческим [6].

Солнечная энергетика не только способствует сохранению запасов традиционных энергоносителей, но и приводит к снижению выбросов парниковых газов, являющихся причиной глобального потепления, в атмосферу. Используя потенциал, заключенный в Солнце, при помощи различных преобразователей, человечество может постепенно перейти на рельсы возобновляемой, «зеленой» энергетики.

Список литературы /References

1. Альтернативные энергоносители / М.В. Голицын, А.М. Голицын, Н.М. Пронина. Отв. ред. Г.С. Голицын. М.: Наука, 2004. 159 с.

Принцип преобразования солнечной энергии в электричество

Солнце и фотоэлектрические модули (СФЭМ — солнечные батареи).

В основе этого способа получения электричества лежит солнечный свет, названный в учебниках как солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас он интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м 2 . А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м 2 . Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую.

Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра (рис. 2), диаметром 125 мм, и имя ему — фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?

Ответ на этот вопрос получили физики, открывшие такое явление как Фотоэффект. Фотоэффект — это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.

В 1900г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой: Е = hν(аш ню), где h — постоянная Планка, равная 6,626 × 10 -34 Дж∙с, ν — частота фотона. Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, который, путем обобщения полученных результатов, установил следующие три закона фотоэффекта:

  1. При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.
  2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.
  3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины, называемой красной границей.

Теорию фотоэффекта, проясняющую таинство, царящее в ФЭПе, развил немецкий ученый Альберт Эйнштейн в 1905г., объяснив законы фотоэффекта с помощью квантовой теории света. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн записал уравнение для энергетического баланса при фотоэффекте:

где: hν – энергия фотона, А – работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества. Таким образом, получается, что частица света – фотон — поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию ½m∙v 2 и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться. А направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток, или, правильнее говоря, в веществе возникает Электро Движущая Сила – Э.Д.С.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Возвращаясь из прошлого в наши дни, мы видим, что «сердцем» Солнечной батареи является ФЭП (полупроводниковый фотоэлемент), в котором осуществляется удивительное чудо природы – Вентильный фотоэффект (ВФЭ). Он заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света. ВФЭ, или фотоэффект в запирающем слое, — явление, при котором электроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник).

Полупроводники — это материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт [эВ]. Ширина запрещенной зоны — это разность энергий электронов в кристалле полупроводника между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны полупроводника.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Кремнию суждено было стать материалом для солнечной энергетики благодаря его широкому распространению в природе, легкость, подходящая ширина «запрещенной зоны» 1,12 эВ для поглощения энергии солнечного света. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 90% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка).

Ключевым элементом конструкции кристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является p-n переход. В упрощенном виде ФЭП можно представить в виде «бутерброда»: он состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода.

Одним из главных свойств p-n перехода является его способность быть энергетическим барьером для носителей тока, то есть пропускать их только в одном направлении. Именно на этом эффекте и базируется генерация электрического тока в солнечных элементах. Излучение, попадающее на поверхность элемента, генерирует в объеме полупроводника носители заряда с разным знаком — электроны (n) и дырки (p). Благодаря своим свойствам p-n переход «разделяет» их, пропуская каждый тип только на «свою» половину, и хаотически двигающиеся в объеме элемента носители заряда оказываются по разные стороны барьера, после чего могут быть переданы во внешнюю цепь для создания напряжения на нагрузке и электрического тока в замкнутой цепи, подключенной к солнечному элементу.

Как происходит процесс преобразования солнечной энергии в электрическую

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как происходит процесс преобразования солнечной энергии в энергию электрическую? Какое физическое явление лежит в основе работы всех этих солнечных элементов? Давайте обратимся к физике и разберемся в процессе генерации.

Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую основан на явлении фотоэффекта, когда световые частицы (фотоны) вызывают вырывание электронов из полупроводникового материала. Эти электроны образуют электрический ток, который можно использовать для питания различных устройств.

Для преобразования солнечной энергии в электрическую используются специальные устройства, называемые фотоэлектрическими или солнечными элементами. Они состоят из двух слоев полупроводника с разной проводимостью, между которыми образуется p-n переход. Когда свет падает на такой элемент, он создает разность потенциалов между слоями, которая называется фотоэлектрической ЭДС.

Соединяя несколько солнечных элементов в последовательную или параллельную цепь, можно получить большее напряжение или силу тока. Такие цепи называются солнечными батареями или панелями. Они могут быть установлены на крышах, стенах, земле или специальных конструкциях, которые поворачиваются за солнцем.

Солнечные батареи подключаются к контроллеру заряда, который регулирует ток и напряжение, поступающие от них. Контроллер заряда также подключается к аккумулятору, который накапливает электрическую энергию и выдает ее при необходимости.

Аккумулятор выдает постоянный ток, который подходит для некоторых устройств, но не для всех. Поэтому часто используется инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный, который подходит для большинства бытовых приборов. Таким образом, солнечная энергия преобразуется в электрическую и может быть использована для разных целей.

Более подробно о том, как происходит процесс преобразования солнечной энергии в электрическую, читайте дальше в статье.

Фотоэлектрические панели на крыше дома

Многие из нас так или иначе сталкивались с солнечными элементами. Кто-то пользовался или пользуется солнечными батареями для получения электричества в бытовых целях, кто-то использует небольшую солнечную панель для зарядки любимого гаджета в полевых условиях, а кто-то уж точно видел маленький солнечный элемент на микрокалькуляторе. Некоторым даже посчастливилось побывать на солнечной электростанции.

Как происходит процесс преобразования солнечной энергии в электрическую

С самого начала очевидно, что источником энергии здесь является солнечный свет, или, выражаясь научным языком, электрическая энергия получается благодаря фотонам солнечного излучения. Эти фотоны можно представить себе как непрерывно движущийся от Солнца поток элементарных частиц, каждая из которых обладает энергией, и следовательно весь световой поток несет в себе какую-то энергию.

С каждого квадратного метра поверхности Солнца непрерывно излучается по 63 МВт энергии в форме излучения! Максимальная интенсивность этого излучения приходится на диапазон видимого спектра — волны с длиной от 400 до 800 нм.

Так вот, ученые определили, что плотность энергии потока солнечного света на расстоянии от Солнца до Земли в 149600000 километров, после его прохождения через атмосферу, и по достижении поверхности нашей планеты, составляет в среднем приблизительно 900 Вт на квадратный метр.

Здесь эту энергию можно принять и попытаться получить из нее электричество, то есть преобразовать энергию светового потока Солнца — в энергию движущихся заряженных частиц, проще говоря — в электрический ток.

Фотоэлектрический преобразователь

Для преобразования света в электричество нам потребуется фотоэлектрический преобразователь . Такие преобразователи очень распространены, они встречаются в свободной продаже, это так называемые солнечные ячейки — фотоэлектрические преобразователи в виде вырезанных из кремния пластин.

Лучшие — монокристаллические, они обладают КПД порядка 18%, то есть если поток фотонов от солнца обладает плотностью энергии в 900 Вт/кв.м, то можно рассчитывать на получение 160 Вт электричества с квадратного метра батареи, собранной из таких ячеек.

Работает здесь явление, называемое «фотоэффектом». Фотоэффект или фотоэлектрический эффект — это явление испускания электронов веществом (явление вырывания электронов из атомов вещества) под действием света или любого другого электромагнитного излучения.

Еще в 1900 году Макс Планк, отец квантовой физики, выдвинул предположение, что свет излучается и поглощается отдельными порциями или квантами, которые позже, а именно в 1926 году, химик Гилберт Льюис назовет «фотонами».

Энергия фотона

Каждый фотон обладает энергией, которая может быть определена по формуле Е = hv — постоянная Планка умножить на частоту излучения.

В соответствии с идеей Макса Планка стало объяснимым явление, открытое в 1887 году Герцем, и исследованное затем досконально с 1888 по 1890 год Столетовым. Александр Столетов экспериментально изучил фотоэффект и установил три закона фотоэффекта (законы Столетова):

  • При неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения).
  • Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.
  • Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Позже, в 1905 году, теорию фотоэффекта прояснит Эйнштейн. Он покажет, как квантовая теория света и закон сохранения и превращения энергии превосходно объясняют происходящее и наблюдаемое. Эйнштейн запишет уравнение фотоэффекта, за которое в 1921 году получит Нобелевскую премию:

Уравнение фотоэффекта

Работы выхода А здесь — это минимальная работа, которую необходимо совершить электрону чтобы покинуть атом вещества. Второе слагаемое — кинетическая энергия электрона после выхода.

То есть фотон поглощается электроном атома, благодаря чему кинетическая энергия электрона в атоме возрастает на величину энергии поглощенного фотона.

Часть этой энергии расходуется на выход электрона из атома, электрон выходит из атома и получает возможность свободно двигаться. А направленно движущиеся электроны — это ничто иное, как электрический ток или фототок. В итоге можно говорить о возникновении ЭДС в веществе в результате фотоэффекта.

Как работает солнечная батарея

Стало быть, солнечная батарея работает благодаря действующему в ней фотоэффекту. Но куда движутся «выбитые» электроны в фотоэлектрическом преобразователе? Фотоэлектрический преобразователь или солнечная ячейка или фотоэлемент — это полупроводник, следовательно фотоэффект в нем происходит необычно, это внутренний фотоэффект, и он имеет даже специальное название «вентильный фотоэффект».

Под действием солнечного света в p-n переходе полупроводника возникает фотоэффект и появляется ЭДС, но электроны не покидают фотоэлемент, все происходит в запирающем слое, когда электроны покидают одну часть тела, переходя в другую его часть.

Кремния в земной коре 30% от ее массы, поэтому его всюду и используют. Особенность полупроводников вообще заключается в том, что они и не проводники и не диэлектрики, их проводимость зависит от концентрации примесей, от температуры и от воздействия излучений.

Ширина запрещенной зоны в полупроводнике составляет несколько электрон-вольт, и это как раз разность энергий между верхним уровнем валентной зоны атомов, откуда вырываются электроны, и нижним уровнем зоны проводимости. У кремния запрещенная зона имеет ширину 1,12 эВ — как раз то что нужно для поглощения солнечного излучения.

P-n переход в фотоэлементе

Итак, p-n переход. Легированные слои кремния в фотоэлементе образуют p-n переход. Здесь получается энергетический барьер для электронов, они покидают валентную зону и движутся только в одном направлении, в противоположном направлении движутся дырки. Так и получается ток в солнечном элементе, то есть имеет место генерация электроэнергии из солнечного света.

P-n переход, подвергаемый действию фотонов, не позволяет носителям заряда — электронам и дыркам — двигаться иначе, чем только в одном направлении, они разделяются и оказываются по разные стороны от барьера. И будучи присоединен к цепи нагрузки посредством верхнего и нижнего электродов, фотоэлектрический преобразователь, подвергаемый действию солнечного света, создаст во внешней цепи постоянный электрический ток.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *