Jak získáváte elektřinu ze solárních panelů?

Slunce a fotovoltaické moduly (SPEM – solární panely).

Tento způsob výroby elektřiny je založen na sluníčko, pojmenované v učebnicích jako sluneční záření, sluneční záření, světelný tok nebo tok elementárních částic – Fotony. Pro nás je to zajímavé, protože stejně jako pohybující se proud vzduchu má i proud světla energii! Ve vzdálenosti jedné astronomické jednotky (149 597 870,66 km) od Slunce, kde se nachází naše Země, je hustota toku slunečního záření 1360 W/m2. A po průchodu zemskou atmosférou ztrácí proudění svou intenzitu odrazem a absorpcí a na zemském povrchu je již ~ 1000 W/m2. Zde začíná naše práce: využít energii světelného toku a přeměnit ji na energii, kterou potřebujeme v každodenním životě – elektrickou.

Záhada této přeměny nastává na malém pseudočtverci se zkosenými rohy, který je vyříznut z křemíkového válce (obr. 2), o průměru 125 mm a jmenuje se fotoelektrický konvertor (PV). Jak?

Odpověď na tuto otázku dostali fyzici, kteří objevili takový jev, jako je fotoelektrický jev. Fotoelektrický jev je jev, kdy jsou elektrony vyvrženy z atomů látky pod vlivem světla.

V roce 1900 Německý fyzik Max Planck navrhl hypotézu: světlo je vyzařováno a absorbováno v oddělených částech – kvanta (nebo fotony). Energie každého fotonu je určena vzorcem: E = h∙ν(popel nahý) kde h — Planckova konstanta rovna 6,626 × 10-34 J∙s, ν — frekvence fotonů. Planckova hypotéza vysvětlila fenomén fotoelektrického jevu, který objevil v roce 1887 německý vědec Heinrich Hertz a experimentálně studoval ruský vědec Alexander Grigorievich Stoletov, který shrnutím získaných výsledků stanovil následující: tři zákony fotoelektrického jevu:

1. Při konstantním spektrálním složení světla je síla saturačního proudu přímo úměrná světelnému toku dopadajícímu na katodu.
2. Počáteční kinetická energie elektronů vyvržených světlem roste lineárně s rostoucí frekvencí světla a nezávisí na jeho intenzitě.
3. K fotoelektrickému jevu nedochází, pokud je frekvence světla menší než určitá hodnota charakteristická pro každou látku, nazývaná červený limit.

Teorii fotoelektrického jevu, která objasňuje záhadu, která panuje ve fotovoltaickém článku, vyvinul německý vědec Albert Einstein v roce 1905 a vysvětlil zákony fotoelektrického jevu pomocí kvantové teorie světla. Na základě zákona zachování a přeměny energie sepsal Einstein rovnici pro energetickou bilanci během fotoelektrického jevu:

kde: h∙ν – fotonová energie, А – pracovní funkce – minimální práce, kterou je třeba vykonat, aby z atomu látky odešel elektron. Ukazuje se tedy, že částice světla – foton – je absorbována elektronem, který získává další kinetickou energii ½ m∙v 2 a vykonává práci opuštění atomu, což mu dává možnost volně se pohybovat. A usměrněný pohyb elektrických nábojů je elektrický proud, nebo, správněji řečeno, v látce vzniká elektromotorická síla – E.M.F.

Einsteinovi byla v roce 1921 udělena Nobelova cena za rovnici pro fotoelektrický jev.

Když se vrátíme z minulosti do současnosti, vidíme, že „srdcem“ solární baterie je FEP (polovodičový fotočlánek), ve kterém se realizuje úžasný zázrak přírody – Valve PhotoEffect (VPE). Spočívá ve vzhledu elektromotorické síly v pn přechodu pod vlivem světla. VFE, popř fotoelektrický jev v bariérové ​​vrstvě, je jev, při kterém elektrony opouštějí těleso, procházejí rozhraním do jiného pevného tělesa (polovodiče).

Polovodiče – jedná se o materiály, které svou měrnou vodivostí zaujímají střední polohu mezi vodiči a dielektriky a od vodičů se liší silnou závislostí měrné vodivosti na koncentraci nečistot, teplotě a různých typech záření. Polovodiče jsou látky, jejichž zakázané pásmo je řádově několik elektronvoltů [eV]. Pásmová mezera je rozdíl v energiích elektronů v polovodičovém krystalu mezi spodní úrovní vodivostního pásma a horní úrovní valenčního pásma polovodiče.

Mezi polovodiče patří mnoho chemických prvků: germanium, křemík, selen, tellur, arsen a další, obrovské množství slitin a chemických sloučenin (arsenid gallia atd.) Nejběžnějším polovodičem v přírodě je křemík, tvoří asi 30 % zemské kůry.

Křemík byl předurčen stát se materiálem pro sluneční energii díky svému rozšířenému výskytu v přírodě, jeho lehkosti a vhodnému zakázanému pásmu 1,12 eV pro absorpci energie ze slunečního světla. Dnes jsou na trhu komerčních pozemních systémů nejvýraznější krystalický křemík (asi 90 % celosvětového trhu) a tenkovrstvé solární články (asi 10 % trhu).

Klíčovým prvkem v konstrukci krystalických křemíkových fotovoltaických konvertorů (PVC) je pn přechod. Ve zjednodušené formě lze solární článek znázornit jako „sendvič“: skládá se z vrstev křemíku dopovaných tak, aby vytvořily pn přechod.

Jednou z hlavních vlastností pn přechodu je jeho schopnost být energetickou bariérou pro proudové nosiče, to znamená umožnit jim průchod pouze jedním směrem. Právě na tomto efektu je založena tvorba elektrického proudu v solárních článcích. Záření dopadající na povrch prvku generuje nosiče náboje s různými znaky v objemu polovodiče – elektrony (n) a díry (p). Pn přechod je díky svým vlastnostem „odděluje“, umožňuje každému typu projít pouze svou „vlastní“ polovinou a nosiče náboje pohybující se chaoticky v objemu prvku končí na opačných stranách bariéry, po které se mohou být přeneseny do vnějšího obvodu, aby se vytvořilo napětí napříč zátěží a elektrický proud v uzavřeném okruhu připojeném k solárnímu článku.

Ve filmu „Office Romance“ vedl hlavní hrdina, soudruh Novoseltsev, klidný, předvídatelný „pracovní“ život. Ale žena všechno změnila – Lyudmila Prokofievna Kalugina. Kvůli komunikaci s ní začal Novoseltsev dělat pro něj neobvyklé věci: chodit na rande a posouvat se po kariérním žebříčku. Roli Ludmily Prokofjevny pro elektrony v solární baterii hrají fotony viditelného světla. Energia+ zjišťovala, jak se světelná energie přeměňuje na elektrickou energii, jak funguje solární baterie a jaké jsou perspektivy solárních elektráren.

Přísná šéfka Lyudmila Kalugina ve filmu působila arogantně a nedokázala se svými podřízenými jednat jako se skutečnými lidmi. “Naše mymra!” – volali ji do týmu, dokud si nevšimli jejích měkkých povahových rysů.

Ne každý dokáže rozeznat složky slunečního světla, stejně jako aspekty osobnosti vysokého managementu – Slunce je pro naše oči jako souvislá světlá skvrna. Ve skutečnosti se jeho paprsky skládají z elektromagnetických vln, které se od hvězdy rozptylují do všech směrů. Některé vlny se dostanou k Zemi, kde projdou vrstvami atmosféry a když narazí na překážku, jako je solární baterie, mohou se chovat neobvykle – jako částice (fotony). Interagují s atomy hmoty solárních článků, podobně jako se koule vzájemně ovlivňují na kulečníkovém stole – srážejí se a vyměňují si energii. Jak tedy solární baterie funguje?

Princip činnosti solární baterie je založen na přeměně sluneční energie na elektrický proud pomocí fotovoltaického jevu. Když světlo dopadne na solární článek, fotony předají svou energii elektronům atomů v materiálu solárních článků. Elektrony se stávají „aktivnějšími“ a jako Novoseltsev z „Office Romance“ mohou opustit svou komfortní zónu – opustit hranice svých atomů a stát se volnými nosiči náboje. Mohou se ale takto chovat všechny elektrony a kde skončí ty, které uspějí?

Proces, při kterém elektrony interagují s fotony, se nazývá fotoelektrický jev. Albert Einstein dal rovnici fotoelektrického jevu v roce 1905. Tento proces vysvětlil zavedením konceptu kvant, tedy částí energie. Právě za popis fotoelektrického jevu, a nikoli za slavný vzorec E = mc 2, dostal fyzik v roce 1921 Nobelovu cenu.

Fotoelektrický jev poprvé objevil v roce 1887 Heinrich Hertz. Vědec zkoumal vyzařování elektromagnetických vln pomocí speciálního jiskřiště – tyče rozříznuté na polovinu s dvojicí kovových kuliček na koncích, mezi kterými při přivedení napětí přeskočila jiskra. Hertz objevil, že když byla negativně nabitá koule ozářena ultrafialovým světlem, vznikla jiskra při nižším napětí. O rok později ruský fyzik Alexander Stoletov podrobně studoval fenomén fotoelektrického jevu a formuloval jeho hlavní principy a teprve poté Einstein podal popis fotoelektrického jevu.

Co se děje v solárním panelu

Nejprve se podívejme na strukturu solární baterie. Skládá se z prvků (fotočlánků) a každý z nich se skládá ze dvou vrstev křemíku. Jedna vrstva obsahuje příměs fosforu. Ve vnějším obalu jeho atomů je pět elektronů a ve vnějším obalu atomů křemíku čtyři. Vnější elektrony křemíku a fosforu se mohou vzájemně „spojit“ do párů a vytvořit kovalentní vazby, ale jeden elektron, pátý, zůstane bez páru a bude tiše pozorovat na vedlejší koleji. Spojení bakalářského elektronu s jádrem zeslábne a k jeho vytlačení z nativního atomu bude potřeba mnohem méně energie – postačí dopad fotonu slunečního světla. Vlivem přebytku elektronů slabě vázaných na jádra se z křemíku s příměsí fosforu stává polovodič typu n s elektronovou vodivostí.

Druhá vrstva křemíku v solárním článku také obsahuje nečistoty, ale jiného typu. Příkladem takové nečistoty je bor, jehož atomy mají ve vnějším obalu tři elektrony. V tomto případě zůstává jeden nevázaný elektron atomu křemíku a prožívá svou osamělost agresivněji než elektron nečistoty fosforu. Z osamělého elektronu se stane vrakovník. Rozbije kovalentní vazbu tvořenou sousedními elektrony dvou atomů křemíku, jednomu z atomů vezme elektron a v druhém zůstane prázdné místo – díra. Atom s dírou místo elektronu se chová jako kladně nabitá částice, jejíž náboj se číselně rovná náboji elektronu. Výsledkem je, že bórem dotovaná křemíková vrstva se stává polovodičem typu p s děrovou vodivostí.

Když se dvě vrstvy dostanou do kontaktu, záporně nabitý elektron a kladně nabitá díra se mohou volně pohybovat, proto se jim někdy říká volné nosiče náboje. Nosiče, stejně jako všichni ostatní v přírodě, sní o rovnováze náboje a chtějí se dostat do vrstvy, kde najdou pár: elektrony mají tendenci proudit do polovodiče typu p a díry do polovodiče typu n. Překročit hranici mezi vrstvami ale není snadné a nosiče náboje se podél ní seřadí. Kvůli tomu vzniká mezi různými vrstvami na pn přechodu bariéra elektrického pole a elektrony a díry ji mohou překonat pouze prostřednictvím vnějšího elektrického obvodu – užitečné zátěže (například žárovky). Tento řízený pohyb nábojů je elektrický proud ve vnějším obvodu.

Přijali jsme proud. tak co bude dál?

Solární baterie sama o sobě nerozsvítí žárovku ani nenabije telefon a úroveň napětí závisí na osvětlení panelů. Aby byl výkon autonomní baterie maximalizován a zátěž mohla být připojena k síti, používají se tzv. regulátory nabíjení – neustále mění proud solární baterie (výkon je roven součinu proudu a napětí) . Pokud je baterie připojena k centralizované síti, používá se invertor pro přeměnu stejnosměrného proudu solární baterie na střídavý proud.

Ne každý foton „motivuje“ elektrony v solárních panelech k přeměně na elektrický proud. Některé fotony se prostě od povrchu odrazí – díky vysokému indexu lomu křemík silně odráží světlo. To je důvod, proč sluneční světlo dostupné ve velkém množství nemůže být plně přeměněno na elektrický proud. Pro snížení ztrát odrazem jsou solární články potaženy antireflexní vrstvou a jejich povrch je uměle ztmaven.

Je zvykem zakrývat solární baterii průhledným sklem: chrání před vlhkostí a fotony, jejichž energie je příliš vysoká: bez skla projdou přímo baterií a zahřejí ji, než aby odevzdávaly energii elektronům – např. příliš hlasitý hlas šéfa z „Office Romance“ nemotivuje hlavní postavu k dosažení úspěchů.

Vedoucí výzkumný pracovník ve Spojeném ústavu pro vysoké teploty Ruské akademie věd

Na jednom solárním článku se objeví napětí 0,6-0,7 voltu – to nestačí pro potřeby spotřebitelů. Proto jsou prvky sestaveny sekvenčně do baterií 36, 60 nebo 72 kusů, což umožňuje provozní napětí 12–48 voltů – to je srovnatelné s napětím autobaterií.

Účinnost a budoucnost solárních panelů

První solární panely se objevily v polovině minulého století. Nejžádanější jsou stále křemíkové moduly: vzhledem k velkým objemům výroby křemíku požadované kvality zaujímají téměř 95 % současného trhu s měniči světelné energie. V průběhu let se jejich účinnost zvýšila: komerční solární panely efektivně zpracovávají asi 17–19 % slunečního záření, které je dopadá. U laboratorních vzorků vyrobených z perovskitu a křemíku se podařilo překonat číslo 30 %.

Solární panely dodávají energii malým objektům – soukromým domům, malým budovám, čerpacím stanicím, panely jsou instalovány v průmyslových podnicích, ale solární elektrárny samy o sobě nebudou schopny pokrýt rostoucí energetické potřeby lidstva.

Hlavními výzvami při výstavbě solárních parků jsou přeprava a skladování energie a výkon panelů snižuje prach a nečistoty, zatažené dny a dokonce i silné horko. Solární elektrárny dnes produkují méně než 4 % světové elektřiny, zatímco uhlí, ropa a plyn nadále pokrývají více než 80 % energetických potřeb lidstva.