Багато з нас так чи інакше стикалися з сонячними елементами. Хтось користувався або користується сонячними батареями для отримання електрики в побутових цілях, хтось використовує невелику сонячну панель для зарядки улюбленого гаджета в польових умовах, а хтось вже точно бачив маленький сонячний елемент на микрокалькуляторе. Деяким навіть пощастило побувати на сонячній електростанції.
Але чи замислювалися ви коли-небудь про те, як відбувається процес перетворення сонячної енергії в енергію електричну? Яке фізичне явище лежить в основі роботи всіх цих сонячних елементів? Давайте звернемося до фізики і розберемося в процесі генерації детально.
З самого початку очевидно, що джерелом енергії тут є сонячне світло, або, висловлюючись науковою мовою, електрична енергія виходить завдяки фотонам сонячного випромінювання. Ці фотони можна уявити собі як безперервно рухається від Сонця потік елементарних частинок, кожна з яких має енергію, і отже весь світловий потік несе в собі якусь енергію.
З кожного квадратного метра поверхні Сонця безперервно випромінюється по 63 МВт енергії у формі випромінювання! Максимальна інтенсивність цього випромінювання доводиться на діапазон видимого спектру - хвилі з довжиною від 400 до 800 нм.
Так ось, вчені визначили, що щільність енергії потоку сонячного світла на відстані від Сонця до Землі в 149600000 кілометрів, після його проходження через атмосферу, і після досягнення поверхні нашої планети, складає в середньому приблизно 900 Вт на квадратний метр.
Тут цю енергію можна прийняти і спробувати отримати з неї електрику, тобто перетворити енергію світлового потоку Сонця - в енергію заряджених частинок, простіше кажучи - в електричний струм.
Для перетворення світла в електрику нам буде потрібно фотоелектричний перетворювач. Такі перетворювачі дуже поширені, вони зустрічаються у вільному продажі, це так звані сонячні осередки - фотоелектричні перетворювачі у вигляді вирізаних з кремнію пластин.
Кращі - монокристалічні, вони мають ККД близько 18%, тобто якщо потік фотонів від сонця має густину енергії в 900 Вт / кв.м, то можна розраховувати на отримання 160 Вт електрики з квадратного метра батареї, зібраної з таких осередків.
Працює тут явище, зване «фотоефектом». Фотоефект або фотоелектричний ефект - це явище випускання електронів речовиною (явище виривання електронів з атомів речовини) під дією світла або будь-якого іншого електромагнітного випромінювання.
Ще в 1900 році Макс Планк, батько квантової фізики, висунув припущення, що світло випромінюється і поглинається окремими порціями або квантами, які пізніше, а саме в 1926 році, хімік Гілберт Льюїс назве «фотонами».
Кожен фотон має енергію, яка може бути визначена за формулою Е = h # 8729; # 957; - постійна Планка помножити на частоту випромінювання.
Відповідно до ідеєю Макса Паланка стало зрозумілим явище, відкрите в 1887 році Герцем, і досліджене потім досконально з 1888 по 1890 рік Столєтова. Олександр Столетов експериментально вивчив фотоефект і встановив три закони фотоефекту (закони Столєтова):
При незмінному спектральному складі електромагнітних випромінювань, що падають на фотокатод, фототок насичення пропорційний енергетичної освітленості катода (інакше: число фотоелектронів, що вибиваються з катода за 1 с, прямо пропорційно інтенсивності випромінювання).
Максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою.
Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла (що залежить від хімічної природи речовини і стану поверхні), нижче якої фотоефект неможливий.
Пізніше, в 1905 році, теорію фотоефекту прояснить Ейнштейн. Він покаже, як квантова теорія світла і закон збереження і перетворення енергії чудово пояснюють те, що відбувається і що спостерігається. Ейнштейн запише рівняння фотоефекту, за яке в 1921 році отримає Нобелівську премію:
Роботи виходу А тут - це мінімальна робота, яку необхідно здійснити електрону щоб покинути атом речовини. Другий доданок - кінетична енергія електрона після виходу.
Тобто фотон поглинається електроном атома, завдяки чому кінетична енергія електрона в атомі зростає на величину енергії поглиненого фотона.
Частина цієї енергії витрачається на вихід електрона з атома, електрон виходить з атома і отримує можливість вільно рухатися. А направлено рухомі електрони - це ніщо інше, як електричний струм або фототок. У підсумку можна говорити про виникнення ЕРС в речовині в результаті фотоефекту.
Стало бути, сонячна батарея працює завдяки чинному в ній фотоефекту. Але куди рухаються «вибиті» електрони в фотоелектричному перетворювачі? Фотоелектричний перетворювач або сонячна комірка або фотоелемент - це напівпровідник. отже фотоефект в ньому відбувається незвично, це внутрішній фотоефект, і він має навіть спеціальну назву «вентильний фотоефект».
Під дією сонячного світла в p-n переході напівпровідника виникає фотоефект і з'являється ЕРС, але електрони не залишають фотоелемент, все відбувається в замикаючому шарі, коли електрони залишають одну частину тіла, переходячи в іншу його частину.
Кремнію в земній корі 30% від її маси, тому його всюди і використовують. Особливість напівпровідників взагалі полягає в тому, що вони і не провідники і не діелектрики, їх провідність залежить від концентрації домішок, від температури і від впливу випромінювань.
Ширина забороненої зони в напівпровіднику становить кілька електрон-вольт, і це як раз різниця енергій між верхнім рівнем валентної зони атомів, звідки вириваються електрони, і нижнім рівнем зони провідності. У кремнію заборонена зона має ширину 1,12 еВ - якраз те що потрібно для поглинання сонячного випромінювання.
Отже, p-n перехід. Леговані шари кремнію в фотоелементі утворюють p-n перехід. Тут виходить енергетичний бар'єр для електронів, вони залишають валентну зону і рухаються тільки в одному напрямку, в протилежному напрямку рухаються дірки. Так і виходить ток в сонячному елементі, тобто має місце генерація електроенергії з сонячного світла.
P-n перехід, що піддається дії фотонів, не дозволяє носіям заряду - електронів і діркам - рухатися інакше, ніж тільки в одному напрямку, вони поділяються і виявляються по різні сторони від бар'єру. І будучи приєднаний до ланцюга навантаження за допомогою верхнього та нижнього електродів, фотоелектричний перетворювач, що піддається дії сонячного світла, створить у зовнішній ланцюга постійний електричний струм.