Bagaimana proses konversi energi matahari menjadi energi listrik bekerja

Banyak dari kita telah menemukan sel surya dengan satu atau lain cara. Ada yang pernah atau sedang menggunakan solar panel untuk menghasilkan listrik untuk keperluan rumah tangga, ada yang menggunakan solar panel kecil untuk mengisi daya gadget kesayangannya di lapangan, dan ada yang pasti pernah melihat solar cell kecil di kalkulator mikro. Beberapa bahkan cukup beruntung untuk mengunjunginya pembangkit listrik tenaga surya. 

Tapi pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana proses mengubah energi matahari menjadi listrik bekerja? Fenomena fisik apa yang mendasari pengoperasian semua sel surya ini? Mari beralih ke fisika dan pahami proses pembangkitan secara mendetail.

Sejak awal sudah jelas bahwa sumber energi di sini adalah sinar matahari atau, secara ilmiah, Energi listrik diproduksi berkat foton radiasi matahari. Foton ini dapat direpresentasikan sebagai aliran partikel elementer yang terus bergerak dari Matahari, yang masing-masing memiliki energi, dan oleh karena itu seluruh aliran cahaya membawa semacam energi.

Dari setiap meter persegi permukaan Matahari, energi sebesar 63 MW terus menerus dipancarkan dalam bentuk radiasi! Intensitas maksimum radiasi ini jatuh pada rentang spektrum yang terlihat — panjang gelombang dari 400 hingga 800 nm. 

Jadi, para ilmuwan telah menemukan bahwa kerapatan energi aliran sinar matahari pada jarak dari Matahari ke Bumi adalah 149600000 kilometer, setelah melewati atmosfer, dan setelah mencapai permukaan planet kita, rata-rata sekitar 900 watt per persegi. meter.

Di sini Anda dapat menerima energi ini dan mencoba mendapatkan listrik darinya, yaitu mengubah energi fluks cahaya matahari menjadi energi partikel bermuatan bergerak, dengan kata lain, di listrik. 

Untuk mengubah cahaya menjadi listrik, kita membutuhkan konverter fotolistrik... Konverter semacam itu sangat umum, ditemukan dalam perdagangan bebas, inilah yang disebut sel surya - konverter fotovoltaik dalam bentuk pelat yang dipotong dari silikon.

Yang terbaik adalah monocrystalline, mereka memiliki efisiensi sekitar 18%, yaitu jika aliran foton dari matahari memiliki kerapatan energi 900 W / m2, maka Anda dapat mengandalkan menerima 160 W listrik dari satu meter persegi a baterai dirakit dari sel tersebut.

Sebuah fenomena yang disebut «efek fotolistrik» bekerja di sini. Efek fotolistrik atau efek fotolistrik — Ini adalah fenomena emisi elektron dari suatu zat (fenomena pelepasan elektron dari atom suatu zat) di bawah pengaruh cahaya atau radiasi elektromagnetik lainnya.

Sudah pada tahun 1900Max Planck, bapak fisika kuantum, menyarankan bahwa cahaya dipancarkan dan diserap oleh partikel individu, atau kuanta, yang kemudian, pada tahun 1926, ahli kimia Gilbert Lewis menyebutnya "foton".

Setiap foton memiliki energi yang dapat ditentukan dengan rumus E = hv — konstanta Planck dikalikan dengan frekuensi pancaran.

Sesuai dengan gagasan Max Planck, fenomena yang ditemukan pada tahun 1887 oleh Hertz dan kemudian dipelajari secara menyeluruh dari tahun 1888 hingga 1890 oleh Stoletov menjadi dapat dijelaskan. Alexander Stoletov secara eksperimental mempelajari efek fotolistrik dan menetapkan tiga hukum efek fotolistrik (hukum Stoletov):

• Pada komposisi spektral konstan dari radiasi elektromagnetik yang jatuh pada katoda foto, arus foto saturasi sebanding dengan iradiasi katoda (jika tidak: jumlah fotoelektron yang terlepas dari katoda dalam 1 detik berbanding lurus dengan intensitas radiasi).

• Kecepatan awal maksimum fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya datang, tetapi hanya ditentukan oleh frekuensinya.

• Untuk setiap zat ada batas merah efek fotolistrik, yaitu frekuensi minimum cahaya (tergantung pada sifat kimiawi zat dan keadaan permukaan) di bawahnya efek foto tidak mungkin terjadi.

Belakangan, pada tahun 1905, Einstein mengklarifikasi teori efek fotolistrik. Dia akan menunjukkan bagaimana teori cahaya kuantum dan hukum kekekalan dan konversi energi dengan sempurna menjelaskan apa yang terjadi dan apa yang diamati. Einstein akan menulis persamaan untuk efek fotolistrik, yang memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1921:

Fungsi kerja Dan inilah kerja minimum yang harus dilakukan elektron untuk meninggalkan atom suatu zat.Suku kedua adalah energi kinetik elektron setelah keluar.

Artinya, foton diserap oleh elektron atom, oleh karena itu energi kinetik elektron dalam atom bertambah sebesar energi foton yang diserap.

Sebagian dari energi ini dihabiskan untuk meninggalkan elektron dari atom, elektron meninggalkan atom dan mendapat kesempatan untuk bergerak bebas. Dan elektron bergerak terarah tidak lebih dari arus listrik atau arus foto. Akibatnya, kita dapat berbicara tentang munculnya EMF dalam suatu zat sebagai akibat dari efek fotolistrik.

Artinya, baterai surya bekerja berkat efek fotolistrik yang bekerja di dalamnya. Tapi ke mana perginya elektron "tersingkir" dalam konverter fotovoltaik? Konverter fotovoltaik atau sel surya atau fotosel adalah semikonduktor, oleh karena itu, efek foto terjadi di dalamnya dengan cara yang tidak biasa, ini adalah efek foto internal, dan bahkan memiliki nama khusus "efek foto katup".

Di bawah pengaruh sinar matahari, efek fotolistrik terjadi di persimpangan pn semikonduktor dan EMF muncul, tetapi elektron tidak meninggalkan fotosel, semuanya terjadi di lapisan pemblokiran ketika elektron meninggalkan satu bagian tubuh, berpindah ke bagian lain. bagian dari itu.

Silikon di kerak bumi adalah 30% dari massanya, oleh karena itu digunakan di mana-mana. Keunikan semikonduktor secara umum terletak pada kenyataan bahwa mereka bukan konduktor atau dielektrik, konduktivitasnya bergantung pada konsentrasi pengotor, suhu dan efek radiasi.

Celah pita dalam semikonduktor adalah beberapa volt elektron, dan itu hanya perbedaan energi antara tingkat pita valensi atas atom, dari mana elektron ditarik, dan tingkat konduksi yang lebih rendah. Silikon memiliki celah pita 1,12 eV—hanya yang dibutuhkan untuk menyerap radiasi matahari.

Jadi pn persimpangan. Lapisan silikon yang diolah dalam fotosel membentuk persimpangan pn. Di sini ada penghalang energi untuk elektron, mereka meninggalkan pita valensi dan bergerak hanya dalam satu arah, lubang bergerak ke arah yang berlawanan. Beginilah cara memperoleh arus dalam sel surya, yaitu pembangkitan listrik dari sinar matahari.

Persimpangan pn, yang terkena aksi foton, tidak memungkinkan pembawa muatan - elektron dan lubang - bergerak dengan cara selain hanya satu arah, mereka terpisah dan berakhir di sisi penghalang yang berlawanan. Dan ketika terhubung ke sirkuit beban melalui elektroda atas dan bawah, konverter fotovoltaik, ketika terkena sinar matahari, akan tercipta di sirkuit eksternal arus listrik searah.