كيف تتم عملية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية

لقد واجه الكثير منا الخلايا الشمسية بطريقة أو بأخرى. استخدم شخص ما أو يستخدم الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء للأغراض المنزلية ، ويستخدم شخص ما لوحًا شمسيًا صغيرًا لشحن أداته المفضلة في هذا المجال ، وشاهد شخص ما بالتأكيد خلية شمسية صغيرة على آلة حاسبة صغيرة. كان البعض محظوظًا بما يكفي لزيارته محطة للطاقة الشمسية. 

لكن هل تساءلت يومًا كيف تتم عملية تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء؟ ما هي الظاهرة الفيزيائية التي يقوم عليها عمل كل هذه الخلايا الشمسية؟ دعنا ننتقل إلى الفيزياء ونفهم عملية التوليد بالتفصيل.

منذ البداية ، من الواضح أن مصدر الطاقة هنا هو ضوء الشمس أو ، من الناحية العلمية ، طاقة كهربائية يتم إنتاجه بفضل فوتونات الإشعاع الشمسي. يمكن تمثيل هذه الفوتونات كتيار من الجسيمات الأولية التي تتحرك باستمرار من الشمس ، ولكل منها طاقة ، وبالتالي يحمل تيار الضوء بأكمله نوعًا من الطاقة.

من كل متر مربع من سطح الشمس ، 63 ميغاواط من الطاقة تنبعث بشكل مستمر على شكل إشعاع! تقع أقصى شدة لهذا الإشعاع على نطاق الطيف المرئي - أطوال موجية من 400 إلى 800 نانومتر. 

لذا فقد وجد العلماء أن كثافة الطاقة لتدفق ضوء الشمس على مسافة من الشمس إلى الأرض تبلغ 149600000 كيلومتر بعد مرورها في الغلاف الجوي وعند الوصول إلى سطح كوكبنا بمتوسط ​​900 واط لكل مربع. متر.

هنا يمكنك قبول هذه الطاقة ومحاولة الحصول على الكهرباء منها ، أي تحويل طاقة تدفق ضوء الشمس إلى طاقة تحريك الجسيمات المشحونة ، بمعنى آخر ، في كهرباء. 

لتحويل الضوء إلى كهرباء ، نحتاج إلى محول كهروضوئي ... هذه المحولات شائعة جدًا ، توجد في التجارة الحرة ، هذه هي ما يسمى بالخلايا الشمسية - المحولات الكهروضوئية على شكل ألواح مقطوعة من السيليكون.

الأفضل أحادي البلورية ، لديهم كفاءة تبلغ حوالي 18 ٪ ، أي إذا كان تدفق الفوتون من الشمس له كثافة طاقة تبلغ 900 واط / م 2 ، فيمكنك الاعتماد على تلقي 160 واط من الكهرباء من متر مربع من بطارية مجمعة من هذه الخلايا.

تعمل هنا ظاهرة تسمى «التأثير الكهروضوئي». التأثير الكهروضوئي أو التأثير الكهروضوئي - هي ظاهرة انبعاث الإلكترونات من مادة (ظاهرة انفصال الإلكترونات عن ذرات مادة ما) تحت تأثير الضوء أو الإشعاع الكهرومغناطيسي الآخر.

بالفعل في عام 1900اقترح ماكس بلانك ، والد فيزياء الكم ، أن الضوء ينبعث ويمتص من قبل الجسيمات الفردية ، أو الكميات ، والتي لاحقًا ، في عام 1926 ، أطلق عليها الكيميائي جيلبرت لويس "الفوتونات".

كل فوتون له طاقة يمكن تحديدها بواسطة الصيغة E = hv - ثابت بلانك مضروبًا في تكرار الانبعاث.

وفقًا لفكرة ماكس بلانك ، فإن الظاهرة التي اكتشفها هيرتز في عام 1887 ثم درسها ستوليتوف بدقة من عام 1888 إلى عام 1890 أصبحت قابلة للتفسير. درس ألكسندر ستوليتوف بشكل تجريبي التأثير الكهروضوئي ووضع ثلاثة قوانين للتأثير الكهروضوئي (قوانين ستوليتوف):

• في التركيب الطيفي الثابت للإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط على الكاثود الضوئي ، يتناسب التيار الضوئي التشبع مع تشعيع الكاثود (خلاف ذلك: عدد الإلكترونات الضوئية التي خرجت من الكاثود في ثانية واحدة يتناسب طرديًا مع شدة الإشعاع).

• لا تعتمد السرعة الأولية القصوى للإلكترونات الضوئية على شدة الضوء الساقط ، ولكن يتم تحديدها فقط من خلال ترددها.

• لكل مادة حد أحمر للتأثير الكهروضوئي ، أي الحد الأدنى لتكرار الضوء (اعتمادًا على الطبيعة الكيميائية للمادة وحالة السطح) والذي تحته مستحيل التأثير الضوئي.

لاحقًا ، في عام 1905 ، أوضح أينشتاين نظرية التأثير الكهروضوئي. سيوضح كيف تشرح نظرية الكم للضوء وقانون حفظ وتحويل الطاقة تمامًا ما يحدث وما يتم ملاحظته. كتب أينشتاين معادلة التأثير الكهروضوئي ، والتي فاز عنها بجائزة نوبل عام 1921:

وظائف العمل وهنا الحد الأدنى من العمل الذي يجب على الإلكترون القيام به لترك ذرة من مادة.المصطلح الثاني هو الطاقة الحركية للإلكترون بعد الخروج.

أي أن إلكترون الذرة يمتص الفوتون ، وبالتالي تزداد الطاقة الحركية للإلكترون في الذرة بمقدار طاقة الفوتون الممتص.

يتم إنفاق جزء من هذه الطاقة على ترك الإلكترون من الذرة ، ويغادر الإلكترون الذرة ويحصل على فرصة للتحرك بحرية. والإلكترونات المتحركة الموجهة ليست أكثر من تيار كهربائي أو تيار ضوئي. نتيجة لذلك ، يمكننا التحدث عن ظهور EMF في مادة نتيجة للتأثير الكهروضوئي.

أي أن البطارية الشمسية تعمل بفضل التأثير الكهروضوئي العامل فيها. ولكن أين تذهب الإلكترونات "المنهوبة" في المحول الكهروضوئي؟ المحول الكهروضوئي أو الخلية الشمسية أو الخلية الكهروضوئية أشباه الموصلات، لذلك ، يحدث تأثير الصورة فيه بطريقة غير معتادة ، فهو تأثير داخلي للصورة ، وله اسم خاص "تأثير صورة الصمام".

تحت تأثير ضوء الشمس ، يحدث تأثير كهروضوئي في تقاطع pn لأشباه الموصلات ويظهر EMF ، لكن الإلكترونات لا تترك الخلية الكهروضوئية ، كل شيء يحدث في طبقة الحجب عندما تترك الإلكترونات جزءًا من الجسم ، وتنتقل إلى جزء آخر جزء منه.

يشكل السيليكون الموجود في القشرة الأرضية 30٪ من كتلته ، وهذا هو سبب استخدامه في كل مكان. تكمن خصوصية أشباه الموصلات بشكل عام في حقيقة أنها ليست موصلات ولا عوازل كهربائية ، وتعتمد موصليةها على تركيز الشوائب ودرجة الحرارة وتأثير الإشعاع.

فجوة الحزمة في أشباه الموصلات هي بضعة إلكترون فولت ، وهي فقط فرق الطاقة بين مستوى نطاق التكافؤ العلوي للذرات ، الذي تُسحب منه الإلكترونات ، ومستوى التوصيل السفلي. يمتلك السيليكون فجوة نطاق تبلغ 1.12 فولت - فقط ما هو مطلوب لامتصاص الإشعاع الشمسي.

حتى مفرق pn. تشكل طبقات السيليكون المخدرة في الخلية الكهروضوئية تقاطع pn. يوجد هنا حاجز طاقة للإلكترونات ، فهي تترك نطاق التكافؤ وتتحرك في اتجاه واحد فقط ، وتتحرك الثقوب في الاتجاه المعاكس. هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على التيار في الخلية الشمسية ، أي توليد الكهرباء من ضوء الشمس.

لا يسمح تقاطع pn ، الذي يتعرض لتأثير الفوتونات ، لحاملات الشحنة - الإلكترونات والثقوب - بالتحرك بطريقة أخرى غير اتجاه واحد فقط ، حيث تنفصل وتنتهي على جوانب متقابلة من الحاجز. وعند توصيله بدائرة الحمل عبر الأقطاب الكهربائية العلوية والسفلية ، فإن المحول الكهروضوئي ، عند تعرضه لأشعة الشمس ، سينشأ في الدائرة الخارجية التيار الكهربائي المباشر.