태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정 작동 방식

우리 중 많은 사람들이 어떤 식으로든 태양 전지를 접했습니다. 누군가는 가정용 전기를 생산하기 위해 태양열 패널을 사용했거나 사용하고 있고, 누군가는 작은 태양열 패널을 사용하여 현장에서 좋아하는 장치를 충전하고, 누군가는 확실히 마이크로 계산기에서 작은 태양 전지를 본 적이 있습니다. 일부는 그를 방문할 만큼 운이 좋았습니다. 태양광 발전소. 

그러나 태양 에너지를 전기로 변환하는 과정이 어떻게 작동하는지 궁금한 적이 있습니까? 이 모든 태양 전지의 작동을 뒷받침하는 물리적 현상은 무엇입니까? 물리학으로 돌아가서 생성 프로세스를 자세히 이해해 봅시다.

처음부터 여기서 에너지원이 햇빛이거나 과학적으로 말하면 전기 에너지 태양 복사의 광자 덕분에 생성됩니다. 이 광자는 태양에서 끊임없이 움직이는 기본 입자의 흐름으로 나타낼 수 있으며, 각 입자에는 에너지가 있으므로 전체 빛의 흐름은 일종의 에너지를 전달합니다.

태양 표면의 모든 평방미터에서 63MW의 에너지가 지속적으로 복사 형태로 방출됩니다! 이 방사선의 최대 강도는 가시 스펙트럼 범위 — 400~800nm의 파장. 

따라서 과학자들은 태양에서 지구까지의 거리에서 햇빛 흐름의 에너지 밀도가 149600000km이고 대기를 통과한 후 지구 표면에 도달하면 평방당 평균 약 900와트라는 것을 발견했습니다. 미터.

여기에서이 에너지를 받아들이고 전기를 얻으려고 노력할 수 있습니다. 즉, 태양의 광속 에너지를 움직이는 하전 입자의 에너지로 변환하는 것입니다. 전기. 

빛을 전기로 변환하려면 광전 변환기가 필요합니다. 이러한 변환기는 매우 일반적이며 자유 무역에서 발견되며 소위 태양 전지-실리콘에서 절단 된 판 형태의 광전지 변환기입니다.

최고는 단결정이며 약 18 %의 효율을 가지고 있습니다. 즉, 태양으로부터의 광자 흐름의 에너지 밀도가 900W / m2이면 평방 미터에서 160W의 전기를받을 수 있습니다 이러한 셀에서 조립된 배터리.

여기서 «광전 효과»라는 현상이 작용합니다. 광전 효과(photoelectric effect) 또는 광전 효과(photoelectric effect) — 이것은 빛이나 다른 전자기 복사의 영향으로 물질에서 전자가 방출되는 현상(물질의 원자에서 전자가 분리되는 현상)입니다.

이미 1900년양자 물리학의 아버지인 막스 플랑크는 빛이 개별 입자 또는 양자에 의해 방출되고 흡수된다고 제안했으며, 나중에 1926년에 화학자 길버트 루이스는 이를 "광자"라고 불렀습니다.

각 광자는 공식 E = hv — 플랑크 상수에 방출 주파수를 곱한 값으로 결정될 수 있는 에너지를 가집니다.

막스 플랑크의 생각에 따르면, 1887년 헤르츠가 발견하고 1888년부터 1890년까지 스톨레토프가 철저히 연구한 현상이 설명 가능해진다. Alexander Stoletov는 광전 효과를 실험적으로 연구하고 광전 효과의 세 가지 법칙(Stoletov의 법칙)을 확립했습니다.

• 광음극에 떨어지는 전자기 방사선의 일정한 스펙트럼 구성에서 포화 광전류는 음극 조사에 비례합니다(그렇지 않으면 1초 동안 음극에서 녹아웃된 광전자의 수는 방사선 강도에 정비례합니다).

• 광전자의 최대 초기 속도는 입사광의 강도에 의존하지 않고 주파수에 의해서만 결정됩니다.

• 각 물질에 대해 광전 효과의 적색 한계, 즉 광효과가 불가능한 최소 빛의 주파수(물질의 화학적 특성 및 표면 상태에 따라 다름)가 있습니다.

나중에 1905년에 아인슈타인은 광전 효과 이론을 명확히 했습니다. 그는 빛의 양자 이론과 에너지 보존 및 변환의 법칙이 일어나는 일과 관찰되는 일을 어떻게 완벽하게 설명하는지 보여줄 것입니다. 아인슈타인은 광전 효과에 대한 방정식을 작성하여 1921년 노벨상을 수상했습니다.

일 함수 그리고 여기에 전자가 물질의 원자를 남기기 위해 해야 하는 최소한의 일이 있습니다.두 번째 항은 탈출 후 전자의 운동 에너지입니다.

즉, 광자는 원자의 전자에 의해 흡수되므로 원자 내의 전자의 운동 에너지는 흡수된 광자의 에너지량만큼 증가한다.

이 에너지의 일부는 원자에서 전자를 떠나는 데 소비되며 전자는 원자를 떠나 자유롭게 움직일 기회를 얻습니다. 그리고 직접 움직이는 전자는 전류나 광전류에 지나지 않습니다. 결과적으로 광전 효과의 결과로 물질에서 EMF의 출현에 대해 이야기할 수 있습니다.

즉, 태양 전지는 내부에서 작동하는 광전 효과 덕분에 작동합니다. 그러나 "녹아웃된" 전자는 광전지 변환기에서 어디로 갑니까? 광전지 변환기 또는 태양 전지 또는 광전지는 반도체, 따라서 사진 효과는 비정상적인 방식으로 발생하며 내부 사진 효과이며 "밸브 사진 효과"라는 특별한 이름도 있습니다.

햇빛의 영향으로 반도체의 pn접합에서 광전효과가 일어나 EMF가 나타나지만 전자가 광전지를 떠나지 않고 전자가 신체의 한 부분을 떠나 다른 곳으로 넘어가면 차단층에서 모든 일이 일어난다. 그것의 일부.

지각의 규소는 질량의 30%를 차지하므로 모든 곳에서 사용됩니다. 일반적으로 반도체의 특이성은 도체도 유전체도 아니며 전도도는 불순물 농도, 온도 및 복사 효과에 따라 달라집니다.

반도체의 밴드갭은 몇 전자 볼트이며 전자가 빠져나오는 원자의 상위 원자가대 준위와 하위 전도 준위 사이의 에너지 차이일 뿐입니다. 실리콘의 밴드갭은 1.12eV로 태양 복사를 흡수하는 데 필요한 정도입니다.

그래서 pn 접합. 광전지의 도핑된 실리콘 층은 pn 접합을 형성합니다. 여기에는 전자에 대한 에너지 장벽이 있으며 원자가 밴드를 떠나 한 방향으로만 이동하고 정공은 반대 방향으로 이동합니다. 이것이 태양 전지의 전류, 즉 햇빛으로부터 전기를 생성하는 방법입니다.

광자의 작용에 노출된 pn 접합은 전하 캐리어(전자 및 정공)가 한 방향이 아닌 다른 방식으로 이동하는 것을 허용하지 않으며 분리되어 장벽의 반대편에서 끝납니다. 그리고 상하전극을 통해 부하회로와 연결하면 태양광변환장치가 햇빛에 노출되면 외부회로에 생성된다. 직류.