Societateaactuală se dezvoltă rapid, dar sursele tradiționale de energie reprezentate decombustibilii fosili (cum ar fi cărbunele și petrolul) devin din ce în ce maigreu de satisfăcut cererea crescândă de energie din cauza ciclurilor lungi deregenerare, a rezervelor și a calității în scădere etc. Dezvoltarea șiutilizarea de noi surse de energie sunt, prin urmare, pe ordinea de zi.
Panouri solarefotovoltaice pentru producerea de energie electrică: inspirate de fotosintezaplantelor
Știm cu toții căenergia de care dispun toate ființele vii de pe pământ provine în principal dinfotosinteza plantelor.
Fotosinteza laplante este procesul biologic de sintetizare a zahărului din dioxid de carbonși apă în cloroplastele plantelor, în condiții de lumină.
Cu toateacestea, această energie este dificil de utilizat direct și, în general,trebuie să fie transformată în electricitate pe care o folosim în mod obișnuit.Principiile fizicii ne spun că procesul de conversie a energiei are ca rezultatinevitabil o pierdere de energie. Prin urmare, subiectul conversiei energieisolare direct în energie electrică este pe ordinea de zi.
Energia solară poatefi transformată direct în energie electrică? Și ce factori sunt implicați înacest proces de conversie? Aceasta a fost o propunere dificilă pentru oameniide știință de la începutul secolului al XIX-lea.
Din fericire, lasfârșitul secolului al XIX-lea s-a realizat un progres major.
Omul cu"cel mai puternic creier" a descoperit misterul luminii și alelectricității
În 1887,celebrul fizician Hertz (după care a fost numită unitatea de frecvență) adescoperit întâmplător, în timpul unui studiu, că lumina care strălucește pesuprafața anumitor substanțe provoacă o modificare a proprietăților electriceale acestora. Cercetările ulterioare au demonstrat că acest lucru se datoreazăcreării unui flux de electroni, de unde și denumirea de "efect fotoelectric".
Imagine:Diagramă a efectului fotoelectric
Este importantsă înțelegem că, la acea vreme, principiile clasice ale fizicii stabilite deIsaac Newton dominau mințile oamenilor. Acest principiu considera lumina cafiind o undă transmisă într-un mediu precum soarele (substanță avută în vederede filozoful grec antic Aristotel și împrumutată de fizicieni în secolul alXIX-lea pentru a desemna mediul prin care călătorește lumina) (imaginați-vă opiatră aruncată într-un lac, a cărei suprafață se unduiește spre exteriorîntr-un cerc de apă), iar energia undei este legată de amplitudinea acesteia(amplitudinea undei luminoase este intensitatea luminii).
Imagine: Undeleprovocate de o piatră aruncată într-un lac
Acest lucru paresă fie perfect logic. După cum vă puteți imagina, iarna soarele nu este atât deputernic încât să vă încălzească corpul, în timp ce vara soarele este atât deputernic încât vă puteți arde la soare dacă nu vă protejați pielea. Astfel,conform fizicii clasice, posibilitatea apariției efectului fotoelectric depindede intensitatea luminii; cu toate acestea, această teorie contrazice o serie derezultate experimentale de la acea vreme.
Studiile auarătat că unele culori de lumină ale aceleiași substanțe nu pot produce efectulfotoelectric, indiferent de intensitatea luminii, în timp ce unele culori delumină pot produce un curent electric chiar și la intensități foarte mici.
O furtunăgenerează distrugere, dar odată cu ea vine o nouă viață. Albert Einstein, așacum îl cunoaștem noi, a fost cel care a rezolvat problema efectuluifotoelectric.
Einstein estecunoscut pentru teoria relativității, dar ceea ce nu știți este că un om deștiință atât de mare a ratat la limită Premiul Nobel, cunoscut ca fiind cea maiînaltă distincție în domeniul științei (premiile Nobel nu sunt niciodatăacordate pentru descoperiri controversate, iar dezbaterea și controversaprivind teoria relativității continuă și astăzi).
Einstein acâștigat Premiul Nobel pentru Fizică în 1921 datorită explicației sale creativea efectului fotoelectric. El a propus că lumina este alcătuită din fotoni, caresunt prin natura lor pachete de energie, și că energia conținută în fiecarepachet este legată de frecvența sa (numărul de schimbări pe unitatea de timp(1s)), astfel încât faptul că lumina care lovește un obiect produce electronidepinde în întregime de energia (frecvența) pachetului (foton), independent de numărul de pachete (intensitatea luminii).
Celulele solaresunt ca un "sandwich"
Am descris modulîn care a fost descoperit efectul fotoelectric și cum poate fi produs, dar cumpot fi folosiți electronii produși de către noi?
Acest lucru neaduce la un alt concept - saltul energetic.
Imagine:Diagrama schematică a unui salt energetic
Electronii dinafara nucleului nu sunt împrăștiați, ci sunt aranjați în straturi conformprincipiilor fizicii, electronii din apropierea nucleului având o energie maimică, iar cei mai îndepărtați de nucleu având o energie mai mare.
În condițiinormale, electronii din afara nucleului tind întotdeauna să fie aranjați înforma cu cea mai mică energie totală, astfel încât electronul se spune că seaflă în "starea fundamentală". Atunci când un atom aflat în stareafundamentală primește o anumită formă de energie (de exemplu, un foton), acesta trece spontan la un nivel energetic superior, ceea ce se numește salt energetic.
Din nefericire,electronul din starea excitată nu este stabil și are tendința de a sări laniveluri energetice inferioare, iar excesul de energie al electronului estedisipat sub formă de lumină sau energie termică.
Nu, aceasta estetoată energia care este distribuită, dar noi tot nu primim electricitate, nu-iașa?
Nu vă facețigriji, pentru a conduce curentul generat de efectul fotoelectric, trebuie săconstruim o structură adecvată a dispozitivului, care este adesea denumităcelulă solară.
Structuradispozitivului are forma unui sandviș, în care stratul activ cu efectfotoelectric este intercalat între stratul de transport al electronilor șistratul de transport al găurilor (partea din electron care lipsește după saltulelectronului se numește gaură), cu materialele electrozilor, de obicei metal și oxid de indiu și staniu (ITO), la ambele capete.
Atunci când unatom aflat în starea fundamentală primește o anumită formă de energie (deexemplu, un foton), acesta se transferă spontan la un nivel energetic superior,ceea ce se numește salt energetic. Deoarece starea excitată a stratului detransport al electronilor este la un nivel de energie ușor inferior celui al stratului activ, electronii din starea excitată a stratului activ tind să treacă în stratul de transport al electronilor mai degrabă decât să se întoarcă în starea de masă a stratului activ; în timp ce starea de masă a stratului de transport al găurilor este la o energie ușor mai mare decât starea de masă a stratului activ, electronii tind să treacă în starea de masă a stratului activ.
Acest lucru esteca și cum am stabili pași mici pentru ca electronii să "își ridicepicioarele" și să treacă peste, în loc să facă un salt dificil, făcândastfel ca întregul proces să fie ușor de realizat.
În condițiile încare stratul de transport al electronilor și stratul de transport al găurilorlucrează împreună în mod eficient, întregul dispozitiv formează un circuitcomplet, iar electronii generați în stratul activ pot fi exportați și utilizațiîn scopurile noastre.
Dupătransformare, obținem în cele din urmă electricitate direct din energia solară,acesta fiind principiul celulei solare.