Comment fonctionne le processus de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique

Beaucoup d'entre nous ont rencontré des cellules solaires d'une manière ou d'une autre. Quelqu'un a utilisé ou utilise des panneaux solaires pour produire de l'électricité à des fins domestiques, quelqu'un utilise un petit panneau solaire pour charger son gadget préféré sur le terrain, et quelqu'un a certainement vu une petite cellule solaire sur une micro-calculatrice. Certains ont même eu la chance de lui rendre visite centrale solaire. 

Mais vous êtes-vous déjà demandé comment fonctionne le processus de conversion de l'énergie solaire en électricité ? Quel phénomène physique sous-tend le fonctionnement de toutes ces cellules solaires ? Passons à la physique et comprenons le processus de génération en détail.

Dès le début, il est évident que la source d'énergie ici est la lumière du soleil ou, scientifiquement parlant, Énergie électrique est produit grâce aux photons du rayonnement solaire. Ces photons peuvent être représentés comme un flux de particules élémentaires se déplaçant constamment du Soleil, chacune ayant de l'énergie, et donc l'ensemble du flux lumineux transporte une sorte d'énergie.

De chaque mètre carré de la surface du Soleil, 63 MW d'énergie sont émis en continu sous forme de rayonnement ! L'intensité maximale de ce rayonnement tombe sur la gamme du spectre visible - longueurs d'onde de 400 à 800 nm. 

Ainsi, les scientifiques ont découvert que la densité d'énergie du flux de lumière solaire à une distance du Soleil vers la Terre est de 149600000 kilomètres, après avoir traversé l'atmosphère et en atteignant la surface de notre planète, une moyenne d'environ 900 watts par carré mètre.

Ici, vous pouvez accepter cette énergie et essayer d'en tirer de l'électricité, c'est-à-dire de convertir l'énergie du flux lumineux du soleil en énergie de particules chargées en mouvement, en d'autres termes, en électricité. 

Pour convertir la lumière en électricité, il nous faut un convertisseur photoélectrique... De tels convertisseurs sont très courants, on les trouve en libre-échange, ce sont les cellules dites solaires - convertisseurs photovoltaïques sous forme de plaques découpées dans du silicium.

Les meilleurs sont monocristallins, ils ont une efficacité d'environ 18%, c'est-à-dire que si le flux de photons du soleil a une densité d'énergie de 900 W / m2, vous pouvez compter sur la réception de 160 W d'électricité d'un mètre carré d'un batterie assemblée à partir de telles cellules.

Un phénomène appelé «l'effet photoélectrique» fonctionne ici. Effet photoélectrique ou effet photoélectrique — C'est le phénomène d'émission d'électrons d'une substance (le phénomène de détachement d'électrons des atomes d'une substance) sous l'influence de la lumière ou d'un autre rayonnement électromagnétique.

Déjà en 1900Max Planck, le père de la physique quantique, a suggéré que la lumière est émise et absorbée par des particules individuelles, ou quanta, que plus tard, en 1926, le chimiste Gilbert Lewis appellerait "photons".

Chaque photon a une énergie qui peut être déterminée par la formule E = hv — la constante de Planck multipliée par la fréquence d'émission.

Conformément à l'idée de Max Planck, le phénomène découvert en 1887 par Hertz puis minutieusement étudié de 1888 à 1890 par Stoletov devient explicable. Alexander Stoletov a étudié expérimentalement l'effet photoélectrique et a établi trois lois de l'effet photoélectrique (lois de Stoletov):

• A composition spectrale constante du rayonnement électromagnétique tombant sur la photocathode, le photocourant de saturation est proportionnel à l'irradiation de la cathode (sinon : le nombre de photoélectrons expulsés de la cathode en 1 s est directement proportionnel à l'intensité du rayonnement).

• La vitesse initiale maximale des photoélectrons ne dépend pas de l'intensité de la lumière incidente, mais n'est déterminée que par sa fréquence.

• Pour chaque substance il existe une limite rouge de l'effet photoélectrique, c'est-à-dire la fréquence minimale de la lumière (selon la nature chimique de la substance et l'état de la surface) en dessous de laquelle le photoeffet est impossible.

Plus tard, en 1905, Einstein clarifiera la théorie de l'effet photoélectrique. Il montrera comment la théorie quantique de la lumière et la loi de conservation et de conversion de l'énergie expliquent parfaitement ce qui se passe et ce qui est observé. Einstein écrira l'équation de l'effet photoélectrique, pour laquelle il obtiendra le prix Nobel en 1921 :

Fonctions de travail Et voici le travail minimum qu'un électron doit faire pour quitter un atome d'une substance.Le deuxième terme est l'énergie cinétique de l'électron après sa sortie.

Autrement dit, le photon est absorbé par l'électron de l'atome, donc l'énergie cinétique de l'électron dans l'atome augmente de la quantité d'énergie du photon absorbé.

Une partie de cette énergie est dépensée pour quitter l'électron de l'atome, l'électron quitte l'atome et a la possibilité de se déplacer librement. Et les électrons dirigés en mouvement ne sont rien de plus qu'un courant électrique ou un photocourant. En conséquence, nous pouvons parler de l'apparition d'EMF dans une substance à la suite de l'effet photoélectrique.

C'est-à-dire que la batterie solaire fonctionne grâce à l'effet photoélectrique qui y opère. Mais où vont les électrons "assommés" dans le convertisseur photovoltaïque ? Le convertisseur photovoltaïque ou la cellule solaire ou la cellule photoélectrique est semi-conducteur, par conséquent, l'effet photo s'y produit de manière inhabituelle, il s'agit d'un effet photo interne et porte même un nom spécial "effet photo valve".

Sous l'influence de la lumière du soleil, un effet photoélectrique se produit dans la jonction pn d'un semi-conducteur et un EMF apparaît, mais les électrons ne quittent pas la cellule photoélectrique, tout se passe dans la couche de blocage lorsque les électrons quittent une partie du corps, passant à une autre partie de celui-ci.

Le silicium dans la croûte terrestre représente 30% de sa masse, c'est pourquoi il est utilisé partout. La particularité des semi-conducteurs en général réside dans le fait qu'ils ne sont ni conducteurs ni diélectriques, leur conductivité dépend de la concentration en impuretés, de la température et de l'effet du rayonnement.

La bande interdite dans un semi-conducteur est de quelques électron-volts, et c'est juste la différence d'énergie entre le niveau supérieur de la bande de valence des atomes, à partir duquel les électrons sont retirés, et le niveau de conduction inférieur. Le silicium a une bande interdite de 1,12 eV, juste ce qui est nécessaire pour absorber le rayonnement solaire.

Donc jonction pn. Les couches de silicium dopées dans la cellule photoélectrique forment une jonction pn. Ici, il y a une barrière énergétique pour les électrons, ils quittent la bande de valence et se déplacent dans une seule direction, les trous se déplacent dans la direction opposée. C'est ainsi que le courant dans la cellule solaire est obtenu, c'est-à-dire la génération d'électricité à partir de la lumière du soleil.

La jonction pn, exposée à l'action des photons, ne permet pas aux porteurs de charge — électrons et trous — de se déplacer autrement que dans une seule direction, ils se séparent et se retrouvent de part et d'autre de la barrière. Et lorsqu'il est connecté au circuit de charge via les électrodes supérieure et inférieure, le convertisseur photovoltaïque, lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil, créera dans le circuit externe courant électrique continu.