Как работают солнечные батареи?

Будь то калькулятор на солнечной батарее или международная космическая станция, солнечные панели генерируют электричество, используя те же принципы электроники, что и химические батареи или стандартные электрические розетки. С солнечными батареями это все о свободном потоке электронов через цепь.

Чтобы понять, как солнечные панели вырабатывают электроэнергию, можно быстро вернуться к уроку химии в средней школе. Основным элементом солнечных батарей является тот же элемент, который помог создать компьютерную революцию - чистый кремний. Когда кремний очищен от всех примесей, он становится идеальной нейтральной платформой для передачи электронов. Кремний также обладает некоторыми свойствами атомного уровня, которые делают его еще более привлекательным для создания солнечных панелей.

Атомы кремния имеют место для восьми электронов в своих внешних полосах, но несут только четыре в их естественном состоянии. Это означает, что есть место для еще четырех электронов. Если один атом кремния контактирует с другим атомом кремния, каждый получает четыре электрона другого атома. Это создает прочную связь, но нет положительного или отрицательного заряда, потому что восемь электронов удовлетворяют потребности атомов. Атомы кремния могут соединяться годами, образуя большой кусок чистого кремния. Этот материал используется для формирования плит солнечных панелей.

Здесь наука входит в картину. Две пластины из чистого кремния не будут генерировать электричество в солнечных панелях, потому что они не имеют положительного или отрицательного заряда. Солнечные панели создаются путем объединения кремния с другими элементами, которые имеют положительные или отрицательные заряды.

Фосфор, например, имеет пять электронов, чтобы предложить другим атомам. Если кремний и фосфор химически объединены, то в результате получаются стабильные восемь электронов с дополнительным свободным электроном. Он не может уйти, потому что он связан с другими атомами фосфора, но кремнию он не нужен. Следовательно, эта новая кремниево-фосфорная пластина считается отрицательно заряженной.

Чтобы электричество могло течь, положительный заряд также должен быть создан. Это достигается в солнечных панелях путем объединения кремния с таким элементом, как бор, который может предложить только три электрона. У пластины кремний / бор все еще есть одно пятно для другого электрона. Это означает, что пластина имеет положительный заряд. Две пластины зажаты в солнечных панелях, между которыми проложены проводящие провода.

Теперь, когда две пластины на месте, пришло время добавить «солнечный» аспект солнечных панелей. Естественный солнечный свет посылает много разных частиц энергии, но тот, который нас больше всего интересует, называется фотоном. Фотон по существу действует как движущийся молот. Когда отрицательные пластины солнечных элементов направлены под надлежащим углом к ​​Солнцу, фотоны бомбардируют атомы кремния / фосфора.

В конце концов, 9-й электрон, который все равно хочет быть свободным, сбивается с внешнего кольца. Этот электрон недолго остается свободным, поскольку положительная пластина кремний / бор притягивает его в открытое пятно на собственной внешней полосе. Когда солнечные фотоны разрывают больше электронов, генерируется электричество. Электричество, генерируемое одним солнечным элементом, не очень впечатляет, но когда все проводящие провода отводят свободные электроны от пластин, появляется достаточно электричества для питания двигателей с малой силой тока или другой электроники. Что бы электроны не использовались или не терялись в воздухе, они возвращаются на отрицательную пластину, и весь процесс начинается снова.

Одной из основных проблем использования солнечных батарей является небольшое количество электричества, которое они производят по сравнению с их размером. Калькулятор может потребовать только один солнечный элемент, но автомобиль на солнечной энергии потребует нескольких тысяч. Если угол солнечных панелей изменится даже незначительно, эффективность может упасть на 50 процентов.

Некоторая энергия от солнечных батарей может храниться в химических батареях, но, во-первых, обычно не так много избыточной энергии. Тот же самый солнечный свет, который обеспечивает фотоны, также обеспечивает более разрушительные ультрафиолетовые и инфракрасные волны, которые в конечном счете вызывают физическое разрушение панелей. Панели также должны подвергаться воздействию разрушительных погодных элементов, которые также могут серьезно повлиять на эффективность.

Многие источники также называют солнечные батареи фотоэлектрическими элементами, что указывает на важность света (фото) для генерации электрического напряжения. Задача будущих ученых будет заключаться в том, чтобы создать более эффективные солнечные панели, достаточно малые для практического применения и достаточно мощные, чтобы создавать избыточную энергию в те времена, когда солнечный свет недоступен.