Cómo funciona el proceso de conversión de la energía solar en energía eléctrica

Muchos de nosotros nos hemos encontrado con las células solares de una forma u otra. Alguien ha usado o está usando paneles solares para generar electricidad para fines domésticos, alguien usa un pequeño panel solar para cargar su dispositivo favorito en el campo y alguien ciertamente ha visto una pequeña celda solar en una micro calculadora. Algunos incluso tuvieron la suerte de visitarlo. planta de energía solar. 

Pero, ¿alguna vez te has preguntado cómo funciona el proceso de convertir la energía solar en electricidad? ¿Qué fenómeno físico subyace en el funcionamiento de todas estas células solares? Pasemos a la física y comprendamos el proceso de generación en detalle.

Desde el principio es obvio que la fuente de energía aquí es la luz del sol o, científicamente hablando, Energía eléctrica se produce gracias a los fotones de la radiación solar. Estos fotones se pueden representar como una corriente de partículas elementales que se mueven constantemente desde el Sol, cada una de las cuales tiene energía y, por lo tanto, toda la corriente de luz lleva algún tipo de energía.

¡De cada metro cuadrado de la superficie del Sol, se emiten continuamente 63 MW de energía en forma de radiación! La intensidad máxima de esta radiación cae en el rango del espectro visible: longitudes de onda de 400 a 800 nm. 

Así, los científicos han descubierto que la densidad de energía del flujo de luz solar a una distancia del Sol a la Tierra es de 149600000 kilómetros, después de atravesar la atmósfera, y al llegar a la superficie de nuestro planeta, una media de unos 900 vatios por cuadrado. metro.

Aquí puedes aceptar esta energía y tratar de obtener electricidad de ella, es decir, convertir la energía del flujo de luz del sol en energía de partículas cargadas en movimiento, en otras palabras, en electricidad. 

Para convertir la luz en electricidad, necesitamos un convertidor fotoeléctrico... Dichos convertidores son muy comunes, se encuentran en el libre comercio, son las llamadas células solares: convertidores fotovoltaicos en forma de placas cortadas de silicio.

Los mejores son monocristalinos, tienen una eficiencia de alrededor del 18%, es decir, si el flujo de fotones del sol tiene una densidad de energía de 900 W/m2, entonces puedes contar con recibir 160 W de electricidad de un metro cuadrado de un batería ensamblada a partir de tales celdas.

Aquí funciona un fenómeno llamado «efecto fotoeléctrico». Efecto fotoeléctrico o efecto fotoeléctrico — Este es el fenómeno de emisión de electrones de una sustancia (el fenómeno de desprendimiento de electrones de los átomos de una sustancia) bajo la influencia de la luz u otra radiación electromagnética.

Ya en 1900Max Planck, el padre de la física cuántica, sugirió que la luz es emitida y absorbida por partículas individuales, o cuantos, que más tarde, en 1926, el químico Gilbert Lewis llamaría "fotones".

Cada fotón tiene una energía que se puede determinar mediante la fórmula E = hv: la constante de Planck multiplicada por la frecuencia de emisión.

De acuerdo con la idea de Max Planck, el fenómeno descubierto en 1887 por Hertz y luego estudiado a fondo desde 1888 hasta 1890 por Stoletov se vuelve explicable. Alexander Stoletov estudió experimentalmente el efecto fotoeléctrico y estableció tres leyes del efecto fotoeléctrico (leyes de Stoletov):

• A una composición espectral constante de la radiación electromagnética que cae sobre el fotocátodo, la fotocorriente de saturación es proporcional a la irradiación del cátodo (de lo contrario: el número de fotoelectrones eliminados del cátodo en 1 s es directamente proporcional a la intensidad de la radiación).

• La máxima velocidad inicial de los fotoelectrones no depende de la intensidad de la luz incidente, sino que está determinada únicamente por su frecuencia.

• Para cada sustancia existe un límite rojo del efecto fotoeléctrico, es decir, la frecuencia mínima de la luz (dependiendo de la naturaleza química de la sustancia y del estado de la superficie) por debajo de la cual el fotoefecto es imposible.

Posteriormente, en 1905, Einstein aclararía la teoría del efecto fotoeléctrico. Mostrará cómo la teoría cuántica de la luz y la ley de conservación y conversión de la energía explican perfectamente lo que sucede y lo que se observa. Einstein escribiría la ecuación del efecto fotoeléctrico, por la que ganó el Premio Nobel en 1921:

Funciones de trabajo Y aquí está el trabajo mínimo que debe hacer un electrón para salir de un átomo de una sustancia.El segundo término es la energía cinética del electrón después de la salida.

Es decir, el fotón es absorbido por el electrón del átomo, por lo que la energía cinética del electrón en el átomo aumenta en la cantidad de energía del fotón absorbido.

Parte de esta energía se gasta en la salida del electrón del átomo, el electrón sale del átomo y tiene la oportunidad de moverse libremente. Y los electrones en movimiento dirigido no son más que corriente eléctrica o fotocorriente. Como resultado, podemos hablar de la aparición de campos electromagnéticos en una sustancia como resultado del efecto fotoeléctrico.

Es decir, la batería solar funciona gracias al efecto fotoeléctrico que opera en ella. Pero, ¿dónde van los electrones "noqueados" en el convertidor fotovoltaico? Convertidor fotovoltaico o celda solar o fotocélula es semiconductor, por lo tanto, el efecto fotográfico se produce en él de una manera inusual, es un efecto fotográfico interno e incluso tiene un nombre especial "efecto fotográfico de válvula".

Bajo la influencia de la luz solar, se produce un efecto fotoeléctrico en la unión pn de un semiconductor y aparece un EMF, pero los electrones no salen de la fotocélula, todo sucede en la capa de bloqueo cuando los electrones salen de una parte del cuerpo, pasando a otra. Parte de ello.

El silicio en la corteza terrestre es el 30% de su masa, por lo que se usa en todas partes. La peculiaridad de los semiconductores en general radica en que no son ni conductores ni dieléctricos, su conductividad depende de la concentración de impurezas, de la temperatura y del efecto de la radiación.

La banda prohibida en un semiconductor es de unos pocos electronvoltios, y es solo la diferencia de energía entre el nivel superior de la banda de valencia de los átomos, de donde se extraen los electrones, y el nivel inferior de conducción. El silicio tiene una banda prohibida de 1,12 eV, justo lo que se necesita para absorber la radiación solar.

Entonces pn cruce. Las capas de silicio dopado en la fotocélula forman una unión pn. Aquí hay una barrera de energía para los electrones, salen de la banda de valencia y se mueven en una sola dirección, los huecos se mueven en la dirección opuesta. Así se obtiene la corriente en la celda solar, es decir, la generación de electricidad a partir de la luz solar.

La unión pn, expuesta a la acción de los fotones, no permite que los portadores de carga —electrones y huecos— se muevan en otra dirección que no sea en una sola dirección, se separan y terminan en lados opuestos de la barrera. Y cuando se conecta al circuito de carga a través de los electrodos superior e inferior, el convertidor fotovoltaico, al exponerse a la luz solar, creará en el circuito externo corriente electrica directa.