Изучение науки о фотогальванике
Солнечные панели преобразуют свет в электричество. Это сложный процесс, который включает в себя физику, химию и электротехнику. Поскольку солнечные панели становятся все более важной частью борьбы с ископаемым топливом, жизненно важно понять, как солнечная панель преобразует солнечный свет в полезную энергию. Интересно, что те же концепции, которые позволяют солнечным батареям питать наши дома, также являются движущей силой технологической революции. Секрет кроется в кремниевой пластине, строительном блоке современной электроники.
Проще говоря, солнечный свет падает на панель и возбуждает электроны в кристалле кремния. Фотоны дают электронам достаточно энергии, чтобы свободно перемещаться по кремнию. Кремниевая пластина наполнена примесями для создания естественного электрического поля, которое направляет движение электронов. Металлические линии сетки на солнечной батарее улавливают электрическую энергию и передают ее к вашему инвертору, а затем в ваш дом.
Что такое энергия?
Нам нужна энергия, чтобы работать. Будь то движение нашего тела, выращивание урожая или питание наших домов, энергия питает наш мир. Энергия может принимать различные формы, включая свет, движение, электричество, химические реакции и тепло. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, она может только изменять форму. Это неотъемлемая часть проблемы потребностей человечества, так как энергии самой по себе предостаточно, но часто она не существует в форме, которую можно было бы применить напрямую.
Когда мы устанавливаем солнечные панели, мы используем световую энергию солнца. Когда свет падает на поверхность полупроводникового материала, происходит реакция, которая преобразует световую энергию в электрическую. Но поскольку солнечные панели не на 100% эффективны, часть этой световой энергии превращается в тепло.
После того как энергия преобразуется в электричество, металлические линии сетки на панели переносят электричество из панели в аккумуляторную батарею. Затем энергия преобразуется в химическую энергию, где она хранится до тех пор, пока не будет готова к преобразованию обратно в электричество для бытового использования.
Фотогальванический эффект
Фотогальванический эффект позволяет улавливать солнечный свет и преобразовывать его в электрическую энергию. Это явление было открыто французским физиком Эдмоном Беккерелем в 1839 году, когда он экспериментировал в лаборатории своего отца с платиновыми электродами в растворе электролита. Он заметил, что когда на раствор освещали светом, электрический ток усиливался. Вскоре последовала первая солнечная батарея на крыше.
Свет состоит из фотонов, несущих энергию. Энергия фотона пропорциональна частоте света. Фотоэлектрический эффект запускается, когда фотоны ударяются о фотоэлектрическую поверхность, которая поглощает энергию фотона и возбуждает электроны внутри материала. Электрический ток создается, когда стимулируется достаточное количество электронов. В зависимости от материала частота, необходимая для срабатывания эффекта, может варьироваться. В фотоэлектрических солнечных панелях полупроводники представляют собой фотоэлектрическую среду, используемую для преобразования солнечного света в электричество.
Полупроводники
Полупроводник - это материал, который проводит больше электричества, чем изолятор, например стекло или дерево, но меньше, чем проводник, например медь или золото. Проводимость полупроводников можно изменить путем легирования или добавления примесей для достижения значения проводимости, которое соответствует потребностям конкретного приложения. Их можно найти в компьютерах, автомобилях, смартфонах и бытовой технике. Кремний является наиболее распространенным полупроводником, обычно имеющим форму кремниевых пластин. Появление кристаллизованного кремния стало главной движущей силой цифровой революции за последние 50 лет, отсюда и использование термина Силиконовая долина для обозначения района залива, где расположены крупнейшие мировые технологические компании.
Пластины могут быть легированы положительно (p-тип) или отрицательно (n-тип). Внутри одного и того же кристалла могут существовать даже p-тип и n-тип, как в случае с фотоэлектрическими панелями. У p-типа есть атомы, которым не хватает электрона, называемые электронными дырками, тогда как у n-типа есть атомы, у которых есть избыток электронов. Электроны и дырки вместе известны как носители заряда. Они встречаются в пограничном слое внутри кристалла, который называется p-n переходом.
Кристаллическая структура кремниевых пластин является неотъемлемой частью их функции. В кристаллической решетке электроны связаны на месте и не могут свободно двигаться. Когда подводимая энергия возбуждает электроны до достаточных энергетических уровней, они могут вырваться на свободу и двигаться по структуре решетки. Затем электроны диффундируют через p-n переход, заполняя электронные дырки и нейтрализуя оба носителя заряда. Это создает область нейтрального материала, называемую зоной истощения. В конце концов движение к p-n переходу достигает состояния равновесия, и вокруг зоны обеднения формируется электрическое поле. Граница n-стороны становится положительно заряженной, а граница p-стороны становится отрицательно заряженной, создавая силу, которая действует противоположно движению к p-n переходу. Это останавливает поток электронов через p-n переход, и пластина остается в этом равновесном состоянии до тех пор, пока уровень энергии в системе не изменится.
Полупроводники ограничены шириной запрещенной зоны, диапазоном энергий, в котором движение электронов не происходит. Энергия света, попадающая на поверхность солнечной панели, должна быть выше ширины запрещенной зоны полупроводника, иначе электричество не будет производиться.
Как и в электронике, кремний является наиболее распространенным полупроводником для солнечных батарей. Силиконовые панели бывают трех типов:
- Монокристаллический (MonoSi)
- Поликристаллический (PolySi)
- Аморфный кремний (a-Si)
В фотоэлектрической промышленности используются несколько других типов полупроводников, хотя они менее распространены. Несколько типов перечислены ниже.
- Теллурид кадмия (CdTe)
- Селенид галлия-индия-меди (CIGS)
- Арсенид галлия (GaAs)
Хотя в этой статье основное внимание уделяется механизму работы кремниевых солнечных панелей, большинство полупроводников работают по одним и тем же принципам.
Солнечный свет в электричество
Теперь, когда мы изучили различные концепции и процессы, которые позволяют вашим солнечным батареям генерировать электричество, давайте подробнее рассмотрим, что на самом деле происходит внутри вашей фотоэлектрической батареи.
Вы просыпаетесь утром, а солнце поднимается над горизонтом. Когда вы начинаете утреннюю рутину, солнечный свет омывает вашу крышу, принося энергию в ваш дом. Солнце имеет широкий энергетический спектр и излучает фотоны в широком диапазоне значений энергии. Помните, что фотоэлектрические полупроводники имеют запрещенную зону, и фотоны, попадающие на поверхность ваших панелей, должны быть выше ширины запрещенной зоны, чтобы стимулировать проводимость материала.
При взаимодействии фотона с вашей солнечной панелью может произойти одно из трех:
- Фотоны могут отражаться от поверхности панели.
- Если уровень энергии фотона ниже ширины запрещенной зоны, он пройдет сквозь панель.
- Если уровень энергии фотона находится на уровне или выше ширины запрещенной зоны, он будет взаимодействовать с полупроводником.
Архитектура солнечного элемента играет важную роль в движении электронов. Слой n-легирования очень тонкий и располагается непосредственно под стеклом поверх гораздо более толстого слоя p-легирования. Это означает, что солнечный свет проникает через n-сторону и достигает p-n перехода. Увеличенная толщина p-стороны также создает гораздо большую зону истощения, чем если бы они были равны по размеру. Энергия фотонов передается электронам, давая им энергию для движения через зону обеднения на p-сторону. Электроны рекомбинируют с электронными дырками на p-стороне, в то время как солнечный свет постоянно стимулирует новые электронно-дырочные пары в обедненной зоне. Это постоянное движение является источником электрического тока. Кремний остается в этом электрически заряженном состоянии до тех пор, пока на панель падает солнце. Когда солнце садится, кремний возвращается в равновесное состояние, а зона истощения возвращается к своей первоначальной ширине.
В то время как зона истощения не позволяла генерировать электрический ток, энергия солнечного света давала носителям заряда достаточно энергии для преодоления нейтрального слоя. Поскольку многие фотоны, взаимодействующие с кремнием, имеют значения энергии выше ширины запрещенной зоны, избыточная энергия рассеивается в виде тепла.
Поскольку электроны могут свободно перемещаться по кремнию, все, что нужно, - это путь, по которому электрическая энергия выходит из панели. Каждый солнечный элемент имеет два набора металлических линий сетки, соединенных с его поверхностью, называемых пальцами и шинами. Электричество собирается в пальцах, которые представляют собой набор очень тонких металлических линий сетки, которые проходят вверх и вниз по солнечному элементу. Пальцы направляют электричество к шинам, которые проходят перпендикулярно пальцам. Шины намного толще пальцев, и большинство солнечных элементов имеют две шины по всей длине ячейки.
Шины соединены медными проводами с задней частью следующего солнечного элемента, и они соединены последовательно друг с другом, вырабатывая электричество и пропуская его через последовательность элементов. Затем несколько рядов ячеек соединяются параллельно друг другу, образуя солнечную панель. Затем солнечная панель подключается к нескольким другим панелям, образуя солнечную батарею.
Фотогальванические процессы генерируют постоянный ток, поэтому для преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока необходим инвертор. Затем электричество хранится в батарее, где энергия хранится в виде химических связей, пока она не будет готова к разрядке.
Вывод
В то время как человечество использовало солнечную энергию в качестве тепла на протяжении веков, солнечные фотоэлектрические панели позволили нам напрямую извлекать выгоду из солнечных лучей. Хотя технология развивалась медленно, идея использования солнечного света для получения энергии произвела революцию в энергетической отрасли. Перспектива отказа от ископаемого топлива в пользу безграничной солнечной энергии изменила наш взгляд на электричество. Фотоэлектрические панели используют уникальные свойства кремниевых полупроводников для преобразования энергии света в электрическую энергию. Физические и химические свойства кристаллизованного кремния позволяют материалу реагировать на свет таким образом, что он генерирует электрический заряд. Металлические линии электропередач передают электрическую энергию от панели к вашему дому. Это сложный процесс, который потенциально может обеспечить энергией залитые солнцем города по всему миру.
Часто задаваемые вопросы
Как солнечная панель вырабатывает электричество?
Солнечные панели содержат слои кристаллизованных кремниевых пластин, которые имеют положительный и отрицательный заряд и создают электрическое поле. Когда солнечный свет падает на панель, фотоны выбивают электроны из кристаллической решетки и дают им достаточно энергии для свободного движения. Они притягиваются к положительно заряженной стороне кристалла, создавая электрический ток.
Почему полупроводники используются в солнечных панелях?
Полупроводники обладают интересными свойствами, которые позволяют им изменять свою проводимость, изменяя уровень энергии их системы, например, когда свет падает на его поверхность. Они могут быть легированы или введены с примесями, чтобы соответствовать конкретному применению. Это делает их очень универсальными не только для фотогальваники, но и для микропроцессоров и печатных плат.
Что такое допинг?
Легирование - это добавление примесей в кристалл кремния. В панелях PV кремний легирован, чтобы сделать одну сторону пластины положительно заряженной (p-тип), а другую сторону отрицательно заряженной (n-тип). Это создает электрическое поле, которое приводит в движение электроны, когда свет падает на поверхность панели.
Почему у солнечных панелей металлические линии сетки?
Металлические линии сетки на фотоэлектрической панели служат для улавливания и передачи электрического тока от солнечной батареи к вашему дому. Меньшие металлические контакты называются пальцами, и они захватывают электричество непосредственно от солнечного элемента. Пальцы проводят ток к шинам, двум металлическим линиям, пересекающим солнечный элемент перпендикулярно пальцам. Шины проводят электричество от солнечной батареи к инвертору.