Jak działają ogniwa słoneczne?
Z pewnością miałeś już okazję natknąć się na kalkulatory z ogniwami słonecznymi – urządzenia, które do swojego działania nie potrzebują baterii, a w niektórych przypadkach nie mają nawet przycisku wyłączającego je. Tak długo, jak mają dostęp do światła powinny one działać. Mogłeś kiedyś również spotkać większe panele solarne, czy to na bojach, czy nawet na niektórych zagranicznych parkingach.
Mimo, iż tego typu panele nie są tak popularne, jak wspomniane kalkulatory, wciąż istnieją i nie są trudne do zauważenia, jeżeli tylko wiesz, gdzie patrzeć. Faktem jest, że ogniwa fotowaliczne, które do niedawna były używane niemal wyłącznie w przestrzeni kosmicznej do zasilania elektrycznych systemów satelit, są obecnie używane coraz częściej w bardziej codziennych sytuacjach. Świat technologii stale jest wzbogacany o nowe urządzenia korzystające z tych ogniw, od okularów przeciwsłonecznych, aż po samochody na prąd.
Nadzieja „rewolucji solarnej” od dziesiątek lat unosi się w powietrzu. Pomysł, że kiedyś każdy będzie czerpał darmową energię ze słońca jest bardzo kuszący – zwłaszcza, że w słoneczne dni promienie słoneczne dostarczają około tysiąca watów energii na metr kwadratowy powierzchni ziemi. Gdybyśmy byli w stanie wykorzystać tę energię, moglibyśmy bez problemu zasilić nasze domy i bura za darmo.
W trakcie czytania dowiesz się, dlaczego stale zbliżamy się do używania energii słonecznej na porządku dziennym i dlaczego wciąż musimy opracować jeszcze wiele technik nim cały ten proces stanie się opłacalny.
Ogniwa fotowaliczne: zamienianie fotonów w elektrony
Ogniwa słoneczne, które możemy zobaczyć między innymi w kalkulatorach i satelitach, są nazywane również ogniwami fotowalicznymi. Nazwa ta wzięła się z angielskiego określenia „photovoltaic cells”, które po rozbiciu daje „photo” w znaczeniu światła i „voltaic” w sensie elektryczności” i wskazuje, że konwertują one promienie słoneczne w elektryczność. Moduł jest grupą komórek połączonych za pomocą elektryczności i umieszczonych w specjalnej ramce, zwanej potocznie panelem solarnym. Ramki z kolei mogą być potem łączone w większe szeregi, jak na przykład ten działający w Nevadzie.
Komórki fotowaliczne są wytworzone ze specjalnych materiałów zwanych półprzewodnikami, w tym krzemu, który ma również inne zastosowania. Przechodząc do rzeczy: gdy światło „uderze” w komórkę, określona jego część zostaje wchłonięta w środek półprzewodnika. Oznacza to, że energia wchłonięta znajduje się w tym półprzewodniku – sprawia to, że elektrony się rozluźniają i zaczynają przepływać w swobodny sposób.
Komórki fotowaliczne posiadają jedno lub więcej pól elektrycznych, które niejako zmuszają elektrony wcześniej „oswobodzone” przez wchłonięcie do płynięcia w określonym kierunku. Ten przepływ elektronu można nazwać prądem – jeżeli położymy kawałek metalu na górze i dole komórki fotowalicznej, będziemy w stanie odciągnąć ten prąd do użytku zewnętrznego – na przykład do zasilenia kalkulatora. Prąd ten, razem z napięciem komórki (będącym skutkiem jego wbudowanych pól (lub jednego pola) elektrycznych) określa moc, którą komórka solarna jest w stanie wytworzyć.
To może wyglądać na dość prosty proces, jednakże tak naprawdę jest trochę bardziej skomplikowany. Na następnej stronie spojrzymy głębiej w strukturę przykładowej komórki fotowalicznej – jednokryształowej krzemowej komórki.
Jak krzem tworzy komórkę solarną?
krzem posiada różne właściwości chemiczne, w szczególności w skrystalizowanej formie. Jeden atom krzemu ma 14 elektronów umieszczonych w trzech różnych szkieletach. Pierwsza dwa – które trzymają dwa i osiem elektronów – są w pełni wypełnione, jednakże zewnętrzny szkielet jest zaledwie do połowy pełny (z czterema elektronami). Atom krzemu zawsze będzie szukał sposobu na wypełnienie tego ostatniego szkieletu – aby to zrobić będzie dzielił się elektronami z czterema najbliższymi atomami. W praktyce wygląda to tak, żekażdy elektron trzyma się za rękę ze swoimi sąsiadami – w tym przypadku jednak posiada on cztery ręce trzymające czterech sąsiadów. To właśnie formuje krystaliczną strukturę, która okazuje się niezwykle ważna w tym rodzaju komórki fotowalicznej.
Jedynym problemem w krystalicznym krzemie jest to, iż jest on bardzo słabym przewodnikiem elektryczności, ponieważ żaden z jego elektronów nie jest w stanei poruszać się swobodnie, w przeciwieństwie do tych w lepszych przewodnikach, na przykład miedzi. By rozwiązać ten problem krzem w komórce solarnej posiada inne atomy zamierzenie połączone z atomami krzemu, co zmienia nieco sposób działania całości. Zazwyczaj myślimy o tego typu dodatkowych atomach jako o czymś niechcianym – w tym przypadku jednak nie bylibyśmy sobie w stanie bez nich poradzić. Tutaj krzem działa z umieszczonymi gdzieniegdzie atomami fosforu, może jednym na każdy milion atomów krzemu. Fosfor posiada pięć elektronów w swoim zewnętrznym szkielecie, nie cztery. Ciągle zatem łączy się z sąsiednimi atomami krzemu, ale – w metaforycznym sensie – ciągle posiada elektron, który nie ma z kim trzymać się za rękę. Nie tworzy żadnej więzi, ale w jądrze fosforu znajduje się pozytywny proton, który trzyma ten elektron na miejscu.
Gdy energia jest dodawana do „czystego” krzemu, na przykład w formie ciepła, może sprawić, że kilka elektronów uwolni się ze swoich więzi i opuści swoje atomy. W takim przypadku pozostawiona jest pusta przestrzeń. Takie elektrony, po prostu zwane „wolnymi” podróżują całkowicie losowo po siatce krzyształu szukając innej przestrzeni, w którą mogłyby wpaść. Jednocześnie niosą ze sobą nieco prądu eolektrycznego – w czystym krzemie jest jednak ich na tyle mało, że nie są w żaden sposób przydatne.
„Nieczysty” krzem (połączony z atomami fosforu) to już zupełnie co innego. Uwolnieniesię jednego z dodatkowych elektronów fosforu zabiera o wiele mniej energii, ponieważ nie jest on powiązany z innymi sąsiadującymi atomami. W rezultacie większość z tych elektronów uwalnia się, w związku z czym powstaje wiele wolnych elektronów noszących ze sobą energię. Proces umyślnego dodawania innych atomów (na przykład do krzemu) nazywamy domieszkowaniem. Kiedy krzem jest zmieszany z fosforem, nazywamy go N-Type („N” oznacza ładuek negatywny) ze względu na obecność wolnych elektronów. krzem N-type jest o wiele lepszym przewodnikiem, niż „czysty” krzem.
wiedza tak specyficzna, że mało kto wie jak to skomentować 😉 tak się tylko domyślam 😉
fajnie przystępnie napisane
Artykuł z duchem czasu i z tendencjami, jakie są aktualnie. Z tego co wiem jest przygotowywana ustawa o fotowalice, która umożliwi sprzedawanie wytworzonej w ten sposób energii.