太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するプロセスの仕組み

私たちの多くは、何らかの形で太陽電池に出会ったことがあるでしょう。家庭用の発電にソーラー パネルを使用したことがある、または使用している人、現場でお気に入りの機器を充電するために小さなソーラー パネルを使用している人、そしてマイクロ電卓で小さな太陽電池を見たことがある人もいるでしょう。幸運にも彼を訪ねることができた人もいた 太陽光発電所. 

しかし、太陽エネルギーを電気に変換するプロセスがどのように機能するか考えたことはありますか?これらすべての太陽電池の動作の基礎となる物理現象は何ですか?物理学に目を向けて、生成プロセスを詳しく理解しましょう。

ここのエネルギー源が太陽光であることは最初から明らかであり、科学的に言えば、 電気エネルギー 太陽放射の光子のおかげで生成されます。これらの光子は、太陽から絶えず移動する素粒子の流れとして表すことができ、そのそれぞれがエネルギーを持っているため、光の流れ全体が何らかのエネルギーを持っています。

太陽の表面の 1 平方メートルごとに、63 MW のエネルギーが放射線の形で継続的に放出されています。この放射線の最大強度は可視スペクトルの範囲内にあります。 波長400～800nm. 

したがって、科学者たちは、太陽から地球までの距離における太陽光の流れのエネルギー密度は、大気中を通過して地球の表面に到達した後、1496万キロメートルであり、平方当たり平均約900ワットであることを発見しました。メーター。

ここでは、このエネルギーを受け入れて、そこから電気を得ることができます。つまり、太陽の光束のエネルギーを、移動する荷電粒子のエネルギーに変換します。 電気. 

光を電気に変換するには、光電変換器が必要です...そのような変換器は非常に一般的であり、自由貿易で見つかります。これらはいわゆる太陽電池であり、シリコンから切り取られたプレートの形をした光電変換器です。

最も優れているのは単結晶で、効率は約 18% です。つまり、太陽からの光子流のエネルギー密度が 900 W / m2 であれば、1 平方メートルあたり 160 W の電力を受け取ることができます。このようなセルから組み立てられたバッテリー。

ここでは「光電効果」と呼ばれる現象が働きます。光電効果または光電効果 — これは、光またはその他の電磁放射線の影響下で物質から電子が放出される現象 (物質の原子から電子が離脱する現象) です。

すでに1900年には量子物理学の父であるマックス・プランクは、光は個々の粒子、つまり量子によって放出および吸収されると示唆し、後に 1926 年に化学者のギルバート・ルイスが「光子」と呼ぶようになりました。

各光子は、式 E = hv — プランク定数に放射周波数を掛けたものによって決定できるエネルギーを持っています。

マックス・プランクの考えによれば、1887 年にハーツによって発見され、その後 1888 年から 1890 年にかけてストレトフによって徹底的に研究された現象は説明可能になります。アレクサンダー・ストレトフは光電効果を実験的に研究し、光電効果の 3 つの法則 (ストレトフの法則) を確立しました。

• 光電陰極に入射する電磁放射線のスペクトル組成が一定である場合、飽和光電流は陰極照射に比例します（そうでない場合、1 秒間に陰極からノックアウトされる光電子の数は放射線強度に直接比例します）。

• 光電子の最大初速度は入射光の強度には依存せず、その周波数によってのみ決まります。

• 各物質には、光電効果の赤限界、つまり、それ以下では光効果が不可能となる光の最小周波数 (物質の化学的性質と表面の状態に応じて) があります。

その後、1905 年にアインシュタインが光電効果の理論を解明しました。彼は、光の量子理論とエネルギーの保存と変換の法則が、何が起こり、何が観察されるかをどのように完全に説明するかを示します。アインシュタインは光電効果の方程式を書き、1921 年にノーベル賞を受賞しました。

仕事関数 そして、電子が物質の原子を離れるためにしなければならない最小限の仕事は次のとおりです。第 2 項は、出口後の電子の運動エネルギーです。

つまり、光子は原子の電子に吸収されるため、原子内の電子の運動エネルギーは吸収された光子のエネルギーの分だけ増加します。

このエネルギーの一部は原子から電子を離れるのに費やされ、電子は原子から離れて自由に移動する機会を得ます。そして、指向性を持って移動する電子は、単なる電流または光電流にすぎません。その結果、光電効果の結果として物質内で EMF が現れることについて話すことができます。

つまり、太陽電池は内部で働く光電効果によって機能します。しかし、「ノックアウトされた」電子は太陽光発電コンバーターのどこに行くのでしょうか?太陽光発電コンバータまたは太陽電池または光電池は、 半導体したがって、写真効果は異常な方法で発生し、内部写真効果であり、「バルブ写真効果」という特別な名前さえあります。

太陽光の影響下で、半導体のpn接合で光電効果が発生し、EMFが発生しますが、電子は光電池から出ず、電子が身体のある部分を出て別の部分に移動するときに、すべてがブロッキング層で発生します。その一部。

地殻中のケイ素はその質量の 30% を占めており、そのためあらゆる場所でケイ素が使用されています。一般に半導体の特徴は、半導体が導体でも誘電体でもなく、その導電性が不純物の濃度、温度、放射線の影響に依存するという事実にあります。

半導体のバンドギャップは数電子ボルトで、電子が引き抜かれる原子の上部価電子帯準位と下部伝導準位とのエネルギー差にすぎません。シリコンのバンドギャップは 1.12 eV で、まさに太陽放射を吸収するのに必要なバンドギャップです。

つまりpn接合です。光電池内のドープされたシリコン層は、pn 接合を形成します。ここには電子に対するエネルギー障壁があり、電子は価電子帯を離れて一方向にのみ移動し、正孔は反対方向に移動します。このようにして太陽電池に電流が流れ、つまり太陽光から電気が発生するのです。

pn 接合は光子の作用にさらされているため、電荷キャリア (電子と正孔) が一方向以外に移動することはできず、分離してバリアの反対側に行き着きます。また、太陽光発電コンバータが上部電極と下部電極を介して負荷回路に接続されている場合、太陽光にさらされると外部回路に 直流電流.