กระบวนการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าทำงานอย่างไร

พวกเราหลายคนเคยพบเจอกับแผงโซล่าเซลล์ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง มีคนใช้หรือกำลังใช้แผงโซลาร์เซลล์เพื่อผลิตไฟฟ้าสำหรับใช้ในครัวเรือน บางคนใช้แผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็กเพื่อชาร์จอุปกรณ์โปรดของพวกเขาในภาคสนาม และแน่นอนว่าบางคนเคยเห็นเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดเล็กบนเครื่องคิดเลขขนาดเล็ก บางคนโชคดีพอที่จะไปเยี่ยมเขา โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์. 

แต่คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่ากระบวนการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้านั้นทำงานอย่างไร? ปรากฏการณ์ทางกายภาพใดที่สนับสนุนการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้ หันมาสนใจฟิสิกส์และทำความเข้าใจกระบวนการสร้างอย่างละเอียด

จากจุดเริ่มต้น เห็นได้ชัดว่าแหล่งพลังงานที่นี่คือแสงแดด หรือพูดทางวิทยาศาสตร์ พลังงานไฟฟ้า เกิดจากโฟตอนของรังสีดวงอาทิตย์ โฟตอนเหล่านี้สามารถแสดงเป็นกระแสของอนุภาคมูลฐานที่เคลื่อนที่ตลอดเวลาจากดวงอาทิตย์ ซึ่งแต่ละอนุภาคมีพลังงาน ดังนั้นกระแสแสงทั้งหมดจึงมีพลังงานบางชนิด

จากทุกตารางเมตรของพื้นผิวดวงอาทิตย์ พลังงาน 63 เมกะวัตต์ถูกปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่องในรูปของรังสี! ความเข้มสูงสุดของรังสีนี้อยู่ในช่วงของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ — ความยาวคลื่นตั้งแต่ 400 ถึง 800 นาโนเมตร. 

ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงพบว่าความหนาแน่นของพลังงานของการไหลของแสงอาทิตย์ที่ระยะทางจากดวงอาทิตย์ถึงโลกคือ 1,496,000,000 กิโลเมตร หลังจากผ่านชั้นบรรยากาศและเมื่อมาถึงพื้นผิวโลกของเรา โดยเฉลี่ยประมาณ 900 วัตต์ต่อตารางเมตร เมตร.

ที่นี่คุณสามารถรับพลังงานนี้และพยายามรับกระแสไฟฟ้าจากมันได้ นั่นคือการเปลี่ยนพลังงานฟลักซ์แสงของดวงอาทิตย์เป็นพลังงานของอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ หรืออีกนัยหนึ่งคือ ไฟฟ้า. 

ในการแปลงแสงเป็นไฟฟ้า เราจำเป็นต้องมีตัวแปลงโฟโตอิเล็กทริก...

สิ่งที่ดีที่สุดคือโมโนคริสตัลไลน์มีประสิทธิภาพประมาณ 18% นั่นคือหากโฟตอนไหลจากดวงอาทิตย์มีความหนาแน่นพลังงาน 900 W / m2 คุณสามารถวางใจได้ว่าจะได้รับไฟฟ้า 160 W จากตารางเมตรของ a แบตเตอรี่ที่ประกอบจากเซลล์ดังกล่าว

ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า «เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก» ทำงานที่นี่ โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์หรือโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ - นี่คือปรากฏการณ์ของการปล่อยอิเล็กตรอนจากสาร (ปรากฏการณ์การแยกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของสาร) ภายใต้อิทธิพลของแสงหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ

แล้วในปี 1900Max Planck บิดาแห่งควอนตัมฟิสิกส์เสนอว่าแสงถูกปล่อยออกมาและดูดซับโดยอนุภาคเดี่ยวหรือควอนตัม ซึ่งต่อมาในปี 1926 นักเคมี Gilbert Lewis ได้เรียกมันว่า "โฟตอน"

แต่ละโฟตอนมีพลังงานที่กำหนดได้จากสูตร E = hv — ค่าคงที่ของพลังค์คูณด้วยความถี่ของการปล่อย

ตามแนวคิดของมักซ์ พลังค์ ปรากฏการณ์ที่เฮิรตซ์ค้นพบในปี พ.ศ. 2430 และศึกษาอย่างละเอียดตั้งแต่ปี พ.ศ. 2431 ถึง พ.ศ. 2433 โดยสโตเลตอฟกลายเป็นสิ่งที่อธิบายได้ Alexander Stoletov ศึกษาผลโฟโตอิเล็กทริกจากการทดลองและสร้างกฎสามข้อของโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ (กฎของสโตเลตอฟ):

• ที่องค์ประกอบทางสเปกตรัมคงที่ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกลงบนโฟโตแคโทด กระแสไฟอิ่มตัวจะแปรผันตามการแผ่รังสีแคโทด (มิฉะนั้น จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากแคโทดใน 1 วินาทีจะแปรผันโดยตรงกับความเข้มของรังสี)

• ความเร็วเริ่มต้นสูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงที่ตกกระทบ แต่จะพิจารณาจากความถี่เท่านั้น

• สำหรับสารแต่ละชนิดจะมีขีดจำกัดสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก นั่นคือความถี่ต่ำสุดของแสง (ขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีของสารและสถานะของพื้นผิว) ที่ต่ำกว่าซึ่งโฟโตเอฟเฟกต์เป็นไปไม่ได้

ต่อมาในปี พ.ศ. 2448 ไอน์สไตน์ได้ชี้แจงทฤษฎีโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ เขาจะแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีควอนตัมของแสงและกฎการอนุรักษ์และการแปลงพลังงานอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นและสิ่งที่สังเกตได้อย่างสมบูรณ์ได้อย่างไร ไอน์สไตน์จะเขียนสมการสำหรับโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ ซึ่งเขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 2464:

หน้าที่การทำงาน และนี่คืองานขั้นต่ำที่อิเล็กตรอนต้องทำเพื่อออกจากอะตอมของสารเทอมที่สองคือพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนหลังจากออก

นั่นคือโฟตอนถูกดูดกลืนโดยอิเล็กตรอนของอะตอม ดังนั้น พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนในอะตอมจึงเพิ่มขึ้นตามปริมาณพลังงานของโฟตอนที่ถูกดูดกลืน

ส่วนหนึ่งของพลังงานนี้ใช้ไปกับการปล่อยอิเล็กตรอนออกจากอะตอม อิเล็กตรอนจะออกจากอะตอมและได้รับโอกาสในการเคลื่อนที่อย่างอิสระ และอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยตรงนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่ากระแสไฟฟ้าหรือโฟโตเคอร์เรนต์ เป็นผลให้เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการปรากฏตัวของ EMF ในสารอันเป็นผลมาจากโฟโตอิเล็กทริก

นั่นคือแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ทำงานได้ด้วยเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่ทำงานอยู่ในนั้น แต่อิเล็กตรอนที่ "หลุดออกไป" จะไปอยู่ที่ไหนในเครื่องแปลงเซลล์แสงอาทิตย์? เครื่องแปลงไฟโซลาร์เซลล์ หรือ เซลล์แสงอาทิตย์ หรือ โฟโตเซลล์นั้น สารกึ่งตัวนำดังนั้นเอฟเฟกต์ภาพถ่ายจึงเกิดขึ้นในลักษณะที่ผิดปกติ มันเป็นเอฟเฟกต์ภาพถ่ายภายใน และยังมีชื่อพิเศษว่า "เอฟเฟกต์วาล์วภาพถ่าย"

ภายใต้อิทธิพลของแสงแดด โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์เกิดขึ้นที่รอยต่อ pn ของเซมิคอนดักเตอร์และ EMF ปรากฏขึ้น แต่อิเล็กตรอนไม่ออกจากโฟโตเซลล์ ทุกอย่างเกิดขึ้นในชั้นปิดกั้นเมื่ออิเล็กตรอนออกจากส่วนหนึ่งของร่างกาย ผ่านไปยังอีกส่วนหนึ่ง ส่วนหนึ่งของมัน

ซิลิคอนในเปลือกโลกมี 30% ของมวล ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงใช้ทุกที่ ลักษณะเฉพาะของเซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปอยู่ที่ความจริงที่ว่าพวกมันไม่ใช่ตัวนำหรือไดอิเล็กทริก การนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสิ่งเจือปน อุณหภูมิ และผลกระทบของรังสี

ช่องว่างในเซมิคอนดักเตอร์คืออิเล็กตรอนไม่กี่โวลต์ และเป็นเพียงความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับแถบวาเลนซ์บนของอะตอม ซึ่งอิเล็กตรอนถูกดึงออกมากับระดับการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่า ซิลิคอนมีแบนด์แกป 1.12 eV ซึ่งเป็นค่าที่จำเป็นในการดูดซับรังสีจากดวงอาทิตย์

ดังนั้นทางแยก pn ชั้นซิลิกอนเจือในโฟโตเซลล์ก่อให้เกิดจุดเชื่อมต่อ pn ที่นี่มีสิ่งกีดขวางพลังงานสำหรับอิเล็กตรอน พวกมันออกจากแถบวาเลนซ์และเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว รูเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม นี่คือวิธีรับกระแสในเซลล์แสงอาทิตย์นั่นคือการผลิตไฟฟ้าจากแสงแดด

จุดเชื่อมต่อ pn ซึ่งสัมผัสกับการกระทำของโฟตอน ไม่อนุญาตให้พาหะของประจุ — อิเล็กตรอนและโฮล — เคลื่อนที่ไปในทิศทางอื่นที่ไม่ใช่ทิศทางเดียว พวกมันแยกออกจากกันและจบลงที่ด้านตรงข้ามของสิ่งกีดขวาง และเมื่อเชื่อมต่อกับวงจรโหลดผ่านขั้วไฟฟ้าบนและล่าง ตัวแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เมื่อถูกแสงแดดจะสร้างวงจรภายนอก ไฟฟ้ากระแสตรง.