Eden najpomembnejših procesov na svetu sončna energija je fotovoltaični učinek. Gre za fotoelektrični učinek, pri katerem nastane električni tok, ki potuje iz enega kosa v drugega iz različnih materialov. Ti materiali so izpostavljeni sončni svetlobi ali elektromagnetnemu sevanju. Ta učinek je temeljnega pomena pri proizvodnji električne energije iz fotonapetostnih celic sončnih celic.
Če želite vedeti, kako delujejo sončni kolektorji in kakšen je fotonapetostni učinek, je to vaša objava 🙂
Kakšen je fotovoltaični učinek?
Ko za pridobivanje električne energije uporabljamo sončno ploščo, izkoristimo to energija, ki jo morajo delci sončnega sevanja pretvoriti v uporabno električno energijo za naš dom. Fotonapetostne celice so polprevodniške naprave, sestavljene pretežno iz silicija. Te fotonapetostne celice vsebujejo nekaj nečistoč iz drugih kemičnih elementov. Vendar je silicij poskušan čim bolj prekleto.
Fotonapetostne celice lahko proizvajajo električno energijo iz enosmernega toka z uporabo energije sončnega sevanja. Težava te vrste toka je, da se ne uporablja za dom. Neprekinjeno energijo je treba spremeniti v nadomestno energijo, da jo lahko uporabimo. To zahteva a pretvornik moči.
Fotovoltaični učinek proizvaja to električno energijo iz sončnega sevanja. To sevanje je v obliki toplote in se zaradi tega učinka spremeni v elektriko. Da se to zgodi, je treba fotonapetostne celice postaviti zaporedno vzdolž sončnih celic. To se naredi tako, da lahko dobili ustrezno napetost, ki omogoča proizvodnjo električne energije.
Očitno se vse sončno sevanje, ki prihaja iz ozračja, ne spremeni v električno energijo. Del se izgubi z odbojem, drugi pa s prenosom. To pomeni, da se en del vrne v ozračje, drugi del pa skozi celica. Količina sevanja, ki je sposobna stopiti v stik s fotonapetostnimi celicami, je tisto, zaradi česar elektroni skačejo iz ene plasti v drugo. Takrat nastane električni tok, katerega moč je sorazmerna s količino sevanja, ki končno zadene celice.
Značilnosti fotonapetostnega učinka
To je skrivnost, ki jo ohranjajo sončni kolektorji. Zagotovo ste se kdaj ustavili, da bi pomislili, kako lahko ustvarijo električni tok iz sonca. No, gre za sodelovanje številnih materialov, sestavljenih iz prevodnih elementov. Eden izmed njih je silicij. Je element, ki kaže drugačno vedenje kot odziv na delovanje električne energije.
Reakcija teh polprevodniških materialov je popolnoma odvisna od tega, ali jih je vir energije sposoben vzbuditi ali ne. Se pravi, da elektroni preidejo v drugo bolj energijsko stanje. V tem primeru imamo vir, ki je sposoben vzbuditi te elektrone, to je sončno sevanje.
Trenutek a foton trči z elektronom iz zadnje orbite silicijevega atoma, se začne fotonapetostni učinek. Zaradi tega trka elektron prejema energijo iz fotona in se lahko vznemirja. Če je energija, ki jo elektron pridobi s fotonom, večja od privlačne sile jedra silicijevega atoma, se bomo znašli pred izhodom elektrona iz orbite.
Zaradi vsega tega so atomi prosti in lahko potujejo skozi ves polprevodniški material. Ko se to zgodi, silicij, ki služi kot prevodnost, preusmeri vso energijo, kamor je lahko koristen. Elektroni, ki so se sprostili iz nabojev, gredo v druge atome, kjer je prosti prostor. Gibanje teh elektronov je tako imenovano polnilni tok.
Kako se proizvaja
Polnilni tokovi se dosežejo z uporabo prevodnih materialov in se to stalno dogaja, tako da lahko obstaja električno polje s konstantno polarnostjo. To je vrsta električnega polja, ki začne potiskati elektrone v vse smeri, da krožijo električni tok.
Če energija elektrona, ki ga napaja foton, preseže privlačnost jedra silicijevega atoma, bo prosta. Da bi se to zgodilo, sila, ki jo mora imeti vpliv fotona na elektron, je najmanj 1,2 eV.
Vsaka vrsta polprevodniškega materiala ima najmanj energije, potrebne za sproščanje elektronov iz svojih atomov. Obstajajo fotoni, ki imajo krajšo valovno dolžino in prihajajo iz ultravijoličnega sevanja. Kot vemo, imajo ti fotoni veliko količino energije v zaprtem sistemu. Po drugi strani pa najdemo tiste, katerih valovna dolžina je daljša, zato imajo manj energije. Ti fotoni so v infrardečem delu elektromagnetnega spektra.
Najmanjša energija, ki jo potrebuje vsak polprevodniški material za sproščanje elektronov, je odvisna od frekvenčnega pasu. Ta pas jih poveže od tistih, ki pridejo v ultravijoličnem sevanju do vidnih barv. Pod tem ne morejo sproščati elektronov, zato ne bo električnega toka.
Težava s fotoni
Prehod skozi material za ločevanje elektronov je nekoliko bolj zapleten. Vsi fotoni tega ne naredijo neposredno. To je zato, ker morajo za prehod skozi material izgubiti energijo. Če so tisti v območju z najdaljšo valovno dolžino elektromagnetnega spektra že imeli malo energije, jo na koncu izgubijo med stikom z materialom. Ko se energija izgubi, nekateri fotoni rahlo trčijo z elektroni in jih ne morejo odbiti. Te izgube so neizogibne in so tiste, zaradi katerih je nemogoče izkoristiti 100% sonca.
Druge energetske izgube se pojavijo, ko fotoni prehajajo skozi ves material in ne trčijo z nobenim elektronom, da bi ga izpodrinili. Tudi to je neizogibna težava.
Upam, da je ta članek pojasnil fotovoltaični učinek.