Energia solară

Conversia energiei solare în energie electrică se bazează pe efectul fotoelectric. Dar nu întotdeauna. În imagine energia solară e focalizată într-un turn unde încălzeşte apa care pune în funcţiune o turbină electrică.

Efectul fotoelectric

Dacă iluminezi suprafaţa unui metal cu lumină electronii sunt eliberaţi din metal. Efectul a fost observat pentru lumină UV şi albastră, dar niciodată pentru lumină roşie.

E=hν-L

La înc. sec. XX fizicienii încercau să explice efectul fotoelectric cu ajutorul teoriei ondulatorii a luminii, dar nu reuşeau.

În teoria ondulatorie, amplitudinea undei determină cât de mult sunt “scuturaţi” electronii, şi nu frecvenţa!Prin urmare intensitatea fasciculului de lumină ar trebui să determine dacă efectul fotoelectric are loc sau nu, şi nu culoarea.

Experimental s-a observat că în efectul fotoelectric:-lumina trebuie să fie mai mare de o frecvenţă de prag-emisia electronilor este practic instantanee-numărul de electroni este proporţional cu intensitatea luminii.

Prin urmare lumina UV expulzează electronii practic instantaneu, în timp ce lumina roşie nu reuşeşte indiferent cât timp aşteptăm ca unda de lumină roşie să ajungă şi să depună energia sa la suprafaţa metalului.

În 1921 Einstein primeşte Premiul Nobel pentru descoperirea legii efectului fotoelectric.Energia = energia + energia fotonului electronului de extracţie h = eU + L

El consideră lumina ca fiind un fascicul de fotoni.Este teoria sa o întoarcere la teoria corpusculară a luminii aşa cum a formulat-o Newton?Pe jumătate da, dar numai pe jumătate. Fotonul este pe jumătate corpuscul, pe jumătate undă. Precum un centaur este jumătate om, jumătate cal.

În practică nu se foloseşte efectul fotoelectric extern, ci intern. Nu se mai pierde din energia fotonului pe lucrul mecanic de extracţie care este de 4-5 eV, ci pe lucrul mecanic necesar să trecem un electron din banda de valenţă în cea de conducţie care pt. Si este 1,1eV.

Prin efect fotoelectric sunt generaţi electroni. Dar dacă nu se aplică un câmp electric electronii nu se mişcă într-o direcţie dată şi nu generează un curent electric.

În efectul fotoelectric extern se aplica o tensiune între borne.

În efectul fotoelectric intern tensiunea este creată de un sandwich format din două “felii” de siliciu dopate cu condimente diferite, de tip N (conţine fosfor care donează electroni) şi de tip P(conţine bor care acceptă electroni).Electronii “cad” în potenţialul creat între cele două felii .

Si dopat cu P Si dopat cu B

În efectul fotoelectric intern tensiunea este creată de un sandwich format din două “felii” de siliciu dopate cu condimente diferite, de tip N (conţine fosfor care donează electroni) şi de tip P(conţine bor care acceptă electroni).Electronii “cad” în potenţialul creat între cele două felii .

Energia fotonilor este utilizată de celulă la crearea unei perechi electron-gol. Teoretic 25% din energia solară folosită este transformată în curent electric (practic în jur de 15%). De ce?În siliciu pentru formarea unei perechi electron-gol sunt necesari 1,1eV.Dacă fotonul are energia < 1,1eV perechea nu se formează.Dacă fotonul are energia > 1,1eV energia suplimentară este cheltuită fără a se forma o altă pereche.Energia poate fi transmisă numai cuantificat(legea efectului fotoelectric).

Zona interzisă

Valoarea de 1,1eV este lărgimea zonei interzise şi este o caracteristică a materialului Si. Ca să mărim numărul de electroni care pot trece din banda de valenţă în cea de conducţie ar trebui să alegem un material cu lărgimea zonei interzise mai mică! Dar puterea debitată este P=IU şi depinde pe de o parte de numărul de electroni şi pe de altă parte de tensiunea la borne (determinată de lăgimea zonei interzise). Ceea ce câştigăm mărind numărul de electroni pierdem la tensiunea la borne. Calculul arată că o lărgime a zonei interzise de 1,4eV oferă puterea maximă.

1. Siliciul este un material strălucitor, adică puternic reflectant. Fotonii care sunt reflectaţi sunt o pierdere pentru celula fotovoltaică.Celula voltaică are un strat antireflectorizant care reduce reduce pierderile prin reflexie cu 5%.

2. Electronii obţinuţi prin efectul fotoelectric trebuie colectaţi la borne. Siliciul este un semiconductor şi nu conduce aşa bine curentul electric ca metalele (rezistenţa electrică mare). Dacă bornele sunt la capetele celulei sunt prea departe ca electronii să ajungă la ele. Dacă sunt în interior absorb fotonii. sau bornele se fac transparente sau se face o reţea de contact cu suprafaţa cât mai mică.