Wie der Prozess der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie funktioniert

Viele von uns sind auf die eine oder andere Weise mit Solarzellen in Berührung gekommen. Jemand nutzte oder nutzt Solarpaneele zur Stromerzeugung für Haushaltszwecke, jemand nutzt ein kleines Solarpaneel, um sein Lieblingsgerät auf dem Feld aufzuladen, und jemand hat sicherlich schon einmal eine kleine Solarzelle auf einem Mikrorechner gesehen. Einige hatten sogar das Glück, ihn zu besuchen Solarkraftwerk. 

Aber haben Sie sich jemals gefragt, wie die Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität funktioniert? Welches physikalische Phänomen liegt dem Betrieb all dieser Solarzellen zugrunde? Wenden wir uns der Physik zu und verstehen wir den Entstehungsprozess im Detail.

Von Anfang an ist klar, dass die Energiequelle hier das Sonnenlicht oder, wissenschaftlich gesehen, das Sonnenlicht ist. Elektrische Energie wird dank Photonen der Sonnenstrahlung erzeugt. Diese Photonen können als Strom von Elementarteilchen dargestellt werden, die sich ständig von der Sonne bewegen und von denen jedes Energie hat, und daher trägt der gesamte Lichtstrom irgendeine Art von Energie.

Von jedem Quadratmeter der Sonnenoberfläche werden kontinuierlich 63 MW Energie in Form von Strahlung abgegeben! Die maximale Intensität dieser Strahlung liegt im Bereich des sichtbaren Spektrums – Wellenlängen von 400 bis 800 nm. 

So haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Energiedichte des Sonnenlichtflusses in einer Entfernung von der Sonne zur Erde 149600000 Kilometer beträgt, nach dem Durchgang durch die Atmosphäre und beim Erreichen der Oberfläche unseres Planeten durchschnittlich etwa 900 Watt pro Quadrat Meter.

Hier kann man diese Energie annehmen und versuchen, daraus Strom zu gewinnen, also die Energie des Lichtstroms der Sonne in die Energie bewegter geladener Teilchen umzuwandeln, also in Elektrizität. 

Um Licht in Strom umzuwandeln, brauchen wir einen fotoelektrischen Wandler... Solche Wandler sind sehr verbreitet, man findet sie im freien Handel, das sind die sogenannten Solarzellen – Photovoltaik-Wandler in Form von aus Silizium geschnittenen Platten.

Die besten sind monokristallin, sie haben einen Wirkungsgrad von etwa 18 %, das heißt, wenn der Photonenfluss von der Sonne eine Energiedichte von 900 W/m2 hat, dann kann man damit rechnen, 160 W Strom aus einem Quadratmeter zu erhalten aus solchen Zellen zusammengesetzte Batterie.

Hier wirkt ein Phänomen namens „photoelektrischer Effekt“. Photoelektrischer Effekt oder photoelektrischer Effekt – Dies ist das Phänomen der Emission von Elektronen aus einer Substanz (das Phänomen der Ablösung von Elektronen von den Atomen einer Substanz) unter dem Einfluss von Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung.

Bereits im Jahr 1900Max Planck, der Vater der Quantenphysik, schlug vor, dass Licht von einzelnen Teilchen oder Quanten emittiert und absorbiert wird, die der Chemiker Gilbert Lewis später, im Jahr 1926, „Photonen“ nannte.

Jedes Photon hat eine Energie, die durch die Formel E = hv – Plancksches Wirkungsquantum multipliziert mit der Emissionsfrequenz bestimmt werden kann.

Gemäß Max Plancks Idee wird das 1887 von Hertz entdeckte und dann von 1888 bis 1890 von Stoletov eingehend untersuchte Phänomen erklärbar. Alexander Stoletov untersuchte experimentell den photoelektrischen Effekt und stellte drei Gesetze des photoelektrischen Effekts auf (Stoletovs Gesetze):

• Bei einer konstanten spektralen Zusammensetzung der auf die Photokathode fallenden elektromagnetischen Strahlung ist der Sättigungsphotostrom proportional zur Kathodenbestrahlung (andernfalls: Die Anzahl der in 1 s aus der Kathode geschlagenen Photoelektronen ist direkt proportional zur Strahlungsintensität).

• Die maximale Anfangsgeschwindigkeit der Photoelektronen hängt nicht von der Intensität des einfallenden Lichts ab, sondern wird nur durch dessen Frequenz bestimmt.

• Für jeden Stoff gibt es eine rote Grenze des photoelektrischen Effekts, also die minimale Lichtfrequenz (abhängig von der chemischen Natur des Stoffes und dem Zustand der Oberfläche), unterhalb derer der Photoeffekt unmöglich ist.

Später, im Jahr 1905, klärte Einstein die Theorie des photoelektrischen Effekts. Er wird zeigen, wie die Quantentheorie des Lichts und das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung von Energie perfekt erklären, was passiert und was beobachtet wird. Einstein schrieb die Gleichung für den photoelektrischen Effekt, für die er 1921 den Nobelpreis erhielt:

Arbeitsfunktionen Und hier ist die minimale Arbeit, die ein Elektron leisten muss, um ein Atom einer Substanz zu verlassen.Der zweite Term ist die kinetische Energie des Elektrons nach dem Austritt.

Das heißt, das Photon wird vom Elektron des Atoms absorbiert, daher erhöht sich die kinetische Energie des Elektrons im Atom um die Energiemenge des absorbierten Photons.

Ein Teil dieser Energie wird für den Austritt des Elektrons aus dem Atom aufgewendet, das Elektron verlässt das Atom und erhält die Möglichkeit, sich frei zu bewegen. Und gerichtet bewegte Elektronen sind nichts anderes als elektrischer Strom oder Photostrom. Daher können wir über das Auftreten von EMF in einer Substanz aufgrund des photoelektrischen Effekts sprechen.

Das heißt, die Solarbatterie funktioniert dank des darin wirkenden photoelektrischen Effekts. Doch wohin mit den „ausgeknockten“ Elektronen im Photovoltaik-Wandler? Photovoltaik-Wandler oder Solarzelle oder Fotozelle ist HalbleiterDaher tritt der Fotoeffekt darin auf ungewöhnliche Weise auf, es ist ein interner Fotoeffekt und hat sogar einen speziellen Namen „Ventilfotoeffekt“.

Unter dem Einfluss von Sonnenlicht entsteht im pn-Übergang eines Halbleiters ein photoelektrischer Effekt und es entsteht eine EMF, aber die Elektronen verlassen die Fotozelle nicht, alles passiert in der Sperrschicht, wenn die Elektronen einen Teil des Körpers verlassen und zu einem anderen gelangen ein Teil davon.

Silizium macht 30 % seiner Masse in der Erdkruste aus und wird daher überall verwendet. Die Besonderheit von Halbleitern im Allgemeinen liegt darin, dass sie weder Leiter noch Dielektrika sind, ihre Leitfähigkeit hängt von der Konzentration der Verunreinigungen, von der Temperatur und von der Strahlungseinwirkung ab.

Die Bandlücke in einem Halbleiter beträgt einige Elektronenvolt und ist lediglich die Energiedifferenz zwischen dem oberen Valenzbandniveau der Atome, aus dem Elektronen entzogen werden, und dem unteren Leitungsniveau. Silizium hat eine Bandlücke von 1,12 eV – genau das, was zur Absorption von Sonnenstrahlung benötigt wird.

Also pn-Übergang. Dotierte Siliziumschichten in der Fotozelle bilden einen pn-Übergang. Hier gibt es eine Energiebarriere für Elektronen, sie verlassen das Valenzband und bewegen sich nur in eine Richtung, Löcher bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung. Dadurch entsteht der Strom in der Solarzelle, also die Stromerzeugung aus Sonnenlicht.

Der pn-Übergang, der der Einwirkung von Photonen ausgesetzt ist, erlaubt es den Ladungsträgern – Elektronen und Löchern – nicht, sich in eine andere Richtung als nur in eine Richtung zu bewegen, sie trennen sich und landen auf gegenüberliegenden Seiten der Barriere. Und wenn der Photovoltaik-Wandler über die oberen und unteren Elektroden mit dem Lastkreis verbunden ist, erzeugt er bei Sonneneinstrahlung im externen Stromkreis Strom Gleichstrom.