Сонце і фотоелектричні модулі (СФЕМ - сонячні батареї).
В основі цього способу отримання електрики лежить сонячне світло. названий на підручниках як сонячне випромінювання, сонячна радіація, світловий потік або потік елементарних частинок - Фотон. Для нас він цікавий тим, що, так само як і рухомий повітряний потік, світловий потік має енергію! На відстані в одну астрономічну одиницю (149 597 870,66 км) від Сонця, на якому і розташовується наша Земля, щільність потоку сонячного випромінювання складає 1360 Вт / м 2. А пройшовши через земну атмосферу, потік втрачає свою інтенсивність через відображення і поглинання, і у поверхні Землі вже дорівнює
1000 Вт / м 2. Тут і починається наша робота: використовувати енергію світлового потоку і перетворити її в необхідну нам в побуті енергію - електричну.
Таїнство цього перетворення відбувається на невеликому псевдоквадрате зі скошеними кутами, який вирізаний з кремнієвого циліндра (рис. 2), діаметром 125 мм, і ім'я йому - фотоелектричний перетворювач (ФЕП). Яким же чином?
Відповідь на це питання отримали фізики, що відкрили таке явище як Фотоефект. Фотоефект - це явище виривання електронів з атомів речовини під впливом світла.
У 1900р. німецький фізик Макс Планк висловив гіпотезу: світло випромінюється і поглинається окремими порціями - квантами (або фотонами). Енергія кожного фотона визначається формулою: Е = h ∙ ν (аш ню), де h - постійна Планка, рівна 6,626 × 10 -34 Дж ∙ с, ν - частота фотона. Гіпотеза Планка пояснила явище фотоефекту, відкритого в 1887 році німецьким вченим Генріхом Герцем і вивченого експериментально російським вченим Олександром Григоровичем Столєтова, який, шляхом узагальнення отриманих результатів, встановив наступні три закони фотоефекту.
- При незмінному спектральному складі світла сила струму насичення прямо пропорційна падаючому на катод світлового потоку.
- Початкова кінетична енергія вирваних світлом електронів лінійно зростає з ростом частоти світла і не залежить від його інтенсивності.
- Фотоефект не виникає, якщо частота світла менше деякої, характерною для кожної речовини, величини, званої червоної кордоном.
Теорію фотоефекту, прояснює таїнство, що панує в ФЕПе, розвинув німецький вчений Альберт Ейнштейн в 1905р. пояснивши закони фотоефекту за допомогою квантової теорії світла. Виходячи із закону збереження і перетворення енергії, Ейнштейн записав рівняння для енергетичного балансу при фотоефекті:
де: h ∙ ν - енергія фотона, А - робота виходу - мінімальна робота, яку потрібно зробити для виходу електрона з атома речовини. Таким чином, виходить, що частка світла - фотон - поглинається електроном, який набуває додаткової кінетичну енергію ½m ∙ v2 і робить роботу виходу з атома, що дає йому можливість вільно рухатися. А спрямований рух електричних зарядів і є електричний струм, або, правильніше кажучи, в речовині виникає Електро Рушійна Сила - Е.Д.С.
За рівняння для фотоефекту в 1921 році Ейнштейну було присуджено Нобелівську премію.
Повертаючись з минулого в наші дні, ми бачимо, що «серцем» Сонячної батареї є ФЕП (напівпровідниковий фотоелемент), в якому здійснюється дивовижне чудо природи - Вентильний фотоефект (ВФЕ). Він полягає у виникненні електрорушійної сили в p-n переході під дією світла. ВФЕ, або фотоефект в замикаючому шарі. - явище, при якому електрони покидають межі тіла, переходячи через поверхню розділу в інше тверде тіло (напівпровідник).
Напівпровідники - це матеріали, які по своїй питомій провідності займають проміжне місце між провідниками і діелектриками і відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури і різних видів випромінювання. Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких складає близько декількох електрон-вольт [еВ]. Ширина забороненої зони - це різниця енергій електронів в кристалі напівпровідника між нижнім рівнем зони провідності і верхнім рівнем валентної зони напівпровідника.
До числа напівпровідників відносяться багато хімічні елементи: германій, кремній, селен, телур, миш'як і інші, величезна кількість сплавів і хімічних сполук (арсенід галію і ін.) Найпоширенішим в природі напівпровідником є кремній. що становить близько 30% земної кори.
Кремнію судилося стати матеріалом для сонячної енергетики завдяки його широкому поширенню в природі, легкість, відповідна ширина «забороненої зони» 1,12 еВ для поглинання енергії сонячного світла. Сьогодні на ринку комерційних систем наземного застосування найбільш помітні кристалічні кремнієві (близько 90% світового ринку) і тонкоплівкові сонячні елементи (близько 10% ринку).
Ключовим елементом конструкції кристалічних кремнієвих фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) є p-n перехід. У спрощеному вигляді ФЕП можна представити у вигляді "бутерброда": він складається з шарів кремнію, легованих для отримання p-n переходу.
Одним з головних властивостей p-n переходу є його здатність бути енергетичним бар'єром для носіїв струму, тобто пропускати їх тільки в одному напрямку. Саме на цьому ефекті і базується генерація електричного струму в сонячних елементах. Випромінювання, що потрапляє на поверхню елемента, генерує в обсязі напівпровідника носії заряду з різним знаком - електрони (n) і дірки (p). Завдяки своїм властивостям pn перехід «розділяє» їх, пропускаючи кожен тип тільки на "свою" половину, і хаотично рухаються в обсязі елемента носії заряду виявляються по різні боки бар'єру, після чого можуть бути передані в зовнішній ланцюг для створення напруги на навантаженні і електричного струму в замкнутому ланцюзі, підключеної до сонячного елементу.