सौर ऊर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतर करण्याची प्रक्रिया कशी कार्य करते

आपल्यापैकी बर्‍याच जणांना सौर पेशींचा सामना एका मार्गाने झाला आहे. कोणीतरी घरगुती कारणांसाठी वीज निर्माण करण्यासाठी सौर पॅनेल वापरला आहे किंवा वापरत आहे, कोणीतरी शेतात त्यांचे आवडते गॅझेट चार्ज करण्यासाठी एक लहान सौर पॅनेल वापरत आहे आणि कोणीतरी सूक्ष्म कॅल्क्युलेटरवर एक लहान सौर सेल नक्कीच पाहिला आहे. काहींना त्याला भेट देण्याचे भाग्यही होते सौर ऊर्जा संयंत्र. 

पण सौरऊर्जेचे विजेमध्ये रूपांतर करण्याची प्रक्रिया कशी कार्य करते याचा तुम्ही कधी विचार केला आहे का? या सर्व सौर पेशींच्या कार्यामध्ये कोणती भौतिक घटना आहे? चला भौतिकशास्त्राकडे वळू आणि पिढीची प्रक्रिया तपशीलवार समजून घेऊ.

अगदी सुरुवातीपासूनच हे स्पष्ट आहे की येथे उर्जेचा स्त्रोत सूर्यप्रकाश आहे किंवा वैज्ञानिकदृष्ट्या, विद्युत ऊर्जा सौर किरणोत्सर्गाच्या फोटॉन्समुळे तयार होते. हे फोटॉन सूर्यापासून सतत फिरत असलेल्या प्राथमिक कणांच्या प्रवाहाच्या रूपात दर्शविले जाऊ शकतात, ज्यातील प्रत्येकामध्ये ऊर्जा असते आणि म्हणूनच संपूर्ण प्रकाश प्रवाह एक प्रकारची ऊर्जा वाहून नेतो.

सूर्याच्या पृष्ठभागाच्या प्रत्येक चौरस मीटरवरून, रेडिएशनच्या स्वरूपात 63 मेगावॅट ऊर्जा सतत उत्सर्जित होते! या किरणोत्सर्गाची कमाल तीव्रता दृश्यमान स्पेक्ट्रमच्या श्रेणीवर येते — तरंगलांबी 400 ते 800 nm. 

तर, शास्त्रज्ञांना असे आढळले आहे की सूर्यापासून पृथ्वीपर्यंतच्या अंतरावर सूर्यप्रकाशाच्या प्रवाहाची ऊर्जा घनता 149600000 किलोमीटर आहे, वातावरणातून गेल्यानंतर आणि आपल्या ग्रहाच्या पृष्ठभागावर पोहोचल्यानंतर, प्रति चौरस सरासरी सुमारे 900 वॅट्स मीटर

येथे तुम्ही ही ऊर्जा स्वीकारू शकता आणि त्यातून वीज मिळवण्याचा प्रयत्न करू शकता, म्हणजेच सूर्याच्या प्रकाश प्रवाहाच्या ऊर्जेचे रूपांतर चार्ज केलेल्या कणांच्या उर्जेमध्ये करू शकता, दुसऱ्या शब्दांत, वीज. 

प्रकाशाचे विजेमध्ये रूपांतर करण्यासाठी, आम्हाला फोटोइलेक्ट्रिक कन्व्हर्टरची आवश्यकता आहे... असे कन्व्हर्टर खूप सामान्य आहेत, ते मुक्त व्यापारात आढळतात, हे तथाकथित सौर पेशी आहेत - सिलिकॉनपासून कापलेल्या प्लेट्सच्या स्वरूपात फोटोव्होल्टेइक कन्व्हर्टर.

सर्वोत्कृष्ट मोनोक्रिस्टलाइन आहेत, त्यांची कार्यक्षमता सुमारे 18% आहे, म्हणजेच, जर सूर्यापासून फोटॉनच्या प्रवाहाची उर्जा घनता 900 डब्ल्यू / एम 2 असेल, तर आपण एका चौरस मीटरपासून 160 डब्ल्यू वीज प्राप्त करण्यावर विश्वास ठेवू शकता. अशा पेशींमधून बॅटरी एकत्र केली जाते.

"फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव" नावाची घटना येथे कार्य करते. फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट किंवा फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट - ही प्रकाशाच्या किंवा इतर इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक रेडिएशनच्या प्रभावाखाली पदार्थातून इलेक्ट्रॉन्सच्या उत्सर्जनाची घटना आहे (पदार्थाच्या अणूंमधून इलेक्ट्रॉन वेगळे होण्याची घटना).

आधीच 1900 मध्येक्वांटम फिजिक्सचे जनक, मॅक्स प्लँक यांनी सुचवले की प्रकाश हा वैयक्तिक कण किंवा क्वांटाद्वारे उत्सर्जित आणि शोषला जातो, ज्याला नंतर, 1926 मध्ये, रसायनशास्त्रज्ञ गिल्बर्ट लुईस "फोटॉन्स" म्हणतील.

प्रत्येक फोटॉनमध्ये ऊर्जा असते जी E = hv — प्लँकच्या स्थिरांकाने उत्सर्जनाच्या वारंवारतेने गुणाकार करून निर्धारित केली जाऊ शकते.

मॅक्स प्लँकच्या कल्पनेनुसार, हर्ट्झने 1887 मध्ये शोधलेली आणि नंतर स्टोलेटोव्हने 1888 ते 1890 पर्यंत सखोल अभ्यास केलेली घटना स्पष्ट करण्यायोग्य बनते. अलेक्झांडर स्टोलेटोव्हने प्रायोगिकपणे फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावाचा अभ्यास केला आणि फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावाचे तीन नियम स्थापित केले (स्टोलेटोव्हचे नियम):

• फोटोकॅथोडवर पडणाऱ्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक रेडिएशनच्या स्थिर स्पेक्ट्रल रचनेत, संपृक्तता फोटोक्युरंट कॅथोड इरॅडिएशनच्या प्रमाणात असते (अन्यथा: 1 s मध्ये कॅथोडमधून बाहेर पडलेल्या फोटोइलेक्ट्रॉनची संख्या रेडिएशनच्या तीव्रतेच्या थेट प्रमाणात असते).

• फोटोइलेक्ट्रॉनची कमाल प्रारंभिक गती घटना प्रकाशाच्या तीव्रतेवर अवलंबून नसते, परंतु केवळ त्याच्या वारंवारतेनुसार निर्धारित केली जाते.

• प्रत्येक पदार्थासाठी फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावाची लाल मर्यादा असते, म्हणजेच प्रकाशाची किमान वारंवारता (पदार्थाच्या रासायनिक स्वरूपावर आणि पृष्ठभागाच्या स्थितीवर अवलंबून) ज्याच्या खाली फोटोइफेक्ट अशक्य आहे.

नंतर, 1905 मध्ये, आइन्स्टाईनने फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावाचा सिद्धांत स्पष्ट केला. प्रकाशाचा क्वांटम सिद्धांत आणि उर्जेचे संवर्धन आणि रूपांतरणाचा नियम काय घडते आणि काय निरीक्षण केले जाते याचे अचूकपणे स्पष्टीकरण कसे देतात हे तो दाखवेल. आइन्स्टाईन फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टचे समीकरण लिहिणार होते, ज्यासाठी त्यांना 1921 मध्ये नोबेल पारितोषिक मिळाले:

कार्य कार्ये आणि येथे आहे किमान कार्य जे इलेक्ट्रॉनने पदार्थाचा अणू सोडण्यासाठी केले पाहिजे.दुसरी संज्ञा म्हणजे बाहेर पडल्यानंतर इलेक्ट्रॉनची गतीज ऊर्जा.

म्हणजेच, फोटॉन अणूच्या इलेक्ट्रॉनद्वारे शोषला जातो, म्हणून अणूमधील इलेक्ट्रॉनची गतिज ऊर्जा शोषलेल्या फोटॉनच्या उर्जेच्या प्रमाणात वाढते.

या ऊर्जेचा काही भाग अणूमधून इलेक्ट्रॉन सोडण्यात खर्च होतो, इलेक्ट्रॉन अणू सोडतो आणि मुक्तपणे फिरण्याची संधी मिळते. आणि निर्देशित हलणारे इलेक्ट्रॉन हे विद्युत प्रवाह किंवा फोटोकरंट पेक्षा अधिक काही नाहीत. परिणामी, आम्ही फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावाच्या परिणामी एखाद्या पदार्थात ईएमएफ दिसण्याबद्दल बोलू शकतो.

म्हणजेच, सौर बॅटरी त्यामध्ये कार्यरत फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावामुळे कार्य करते. पण फोटोव्होल्टेइक कन्व्हर्टरमध्ये "नॉक आउट" इलेक्ट्रॉन कुठे जातात? फोटोव्होल्टेइक कनवर्टर किंवा सौर सेल किंवा फोटोसेल आहे सेमीकंडक्टर, म्हणून, फोटो इफेक्ट त्यामध्ये असामान्य मार्गाने होतो, तो एक अंतर्गत फोटो प्रभाव आहे आणि त्याचे विशेष नाव "व्हॉल्व्ह फोटो इफेक्ट" देखील आहे.

सूर्यप्रकाशाच्या प्रभावाखाली, सेमीकंडक्टरच्या पीएन जंक्शनमध्ये फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्ट होतो आणि एक ईएमएफ दिसून येतो, परंतु इलेक्ट्रॉन फोटोसेल सोडत नाहीत, जेव्हा इलेक्ट्रॉन शरीराचा एक भाग सोडून दुसर्‍या भागात जातात तेव्हा ब्लॉकिंग लेयरमध्ये सर्वकाही घडते. त्याचा एक भाग.

पृथ्वीच्या कवचातील सिलिकॉन त्याच्या वस्तुमानाच्या 30% आहे, म्हणूनच ते सर्वत्र वापरले जाते. सर्वसाधारणपणे सेमीकंडक्टरचे वैशिष्ठ्य हे आहे की ते कंडक्टर किंवा डायलेक्ट्रिक्स नाहीत, त्यांची चालकता अशुद्धतेच्या एकाग्रतेवर, तापमानावर आणि रेडिएशनच्या प्रभावावर अवलंबून असते.

सेमीकंडक्टरमधील बँडगॅप काही इलेक्ट्रॉन व्होल्ट्सचा असतो आणि हा फक्त अणूंच्या वरच्या व्हॅलेन्स बँडच्या पातळीतील ऊर्जेचा फरक आहे, ज्यामधून इलेक्ट्रॉन्स काढले जातात आणि कमी वहन पातळी. सिलिकॉनमध्ये 1.12 eV चा बँडगॅप आहे - सौर किरणोत्सर्ग शोषण्यासाठी जे आवश्यक आहे.

त्यामुळे pn जंक्शन. फोटोसेलमधील डोप केलेले सिलिकॉन थर एक pn जंक्शन बनवतात. येथे इलेक्ट्रॉनसाठी ऊर्जा अडथळा आहे, ते व्हॅलेन्स बँड सोडतात आणि फक्त एका दिशेने जातात, छिद्र उलट दिशेने जातात. अशा प्रकारे सोलर सेलमधील करंट प्राप्त होतो, म्हणजेच सूर्यप्रकाशापासून वीजनिर्मिती होते.

pn जंक्शन, फोटॉन्सच्या क्रियेच्या संपर्कात आलेले, चार्ज वाहकांना - इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रे - फक्त एका दिशेने जाण्याची परवानगी देत ​​​​नाही, ते वेगळे होतात आणि अडथळ्याच्या विरुद्ध बाजूंनी समाप्त होतात. आणि वरच्या आणि खालच्या इलेक्ट्रोड्सद्वारे लोड सर्किटशी कनेक्ट केल्यावर, फोटोव्होल्टेइक कन्व्हर्टर, सूर्यप्रकाशाच्या संपर्कात आल्यावर, बाह्य सर्किटमध्ये तयार होईल. थेट विद्युत प्रवाह.