Явление фотоэлектрического эффекта: исторический обзор

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект мгновенно превращает свет в электричество, как по волшебству. Здесь нет никакой специальной техники, нет силовых блоков, нет турбин, в отличие от всех других методов выработки электричества.

Эта магия происходит внутри листа материала, который выглядит невооруженным глазом так же обычно и нейтрально, как и любой другой материальный объект.

Если бы путешественник во времени из средневековья прибыл в 21-й век и увидел солнечную батарею, он не смог бы догадаться, что за счет этого объекта может включаться свет и гудеть холодильник (и, конечно же, свет и холодильники также будут чем-то новым для него!).

Солнечные фотоэлектрические системы - это полный отход от старых и простых в объяснении методов генерации электроэнергии, которые могли бы понять даже средневековые механики.

Любой другой способ производства электричества связан с механическими деталями и вращающимися турбинами.

Наш инженер-механик со средних веков понял бы энергетику угля или газа. Он уже тогда был знаком с тем, как сила пара может подтолкнуть крышку чайника или заставить турбину вращаться. Все это просто препятствия на пути пара, которые нужно оттолкнуть, чтобы пройти дальше.

Он был знаком с тем, как огонь кипятит воду, за счет чего создается пар. Знаком и с тем, что горящий уголь создает тепло, которое нагдевает воду до кипячения.

ветряная мельница

Если механик родом из Голландии, он сразу поймет связь между старыми водяными и ветряными мельницами Голландии 15-го века с ветряными турбинами 21-го века или гидроэлектростанциями.

И посещение геотермального завода с его облаками демонического пара, исходящего из самого подземного мира, может испугать суеверного путешественника во времени, но опять же, это будет понятно - пар заставляет вещи двигаться.

Но путешественник во времени из 15-го века не сможет взглянуть на обычный неподвижный лист солнечной панели и понять, как он работает. Но и мы не можем. А все потому, что магия происходи на атомном уровне, который мы не видим.

Даже в 1977 году, когда вода, подогреваемая для бассейнов с помощью солнечного тепла, была уже привычным зрелищем на пригородных крышах, фотоэлектрический эффект понимали как почти магический способ производства электричества.

Из журнала «Наука»: «Фотоэлектрические технологии: полупроводниковая революция доходит до Солнца»:

«Если есть солнечная технология мечты, это, вероятно, фотоэлектрические элементы - солнечные элементы… Они не имеют движущихся частей и, следовательно, бесшумны, чрезвычайно надежны и просты в эксплуатации. Фотогальванические элементы - это электронное чудо космической эры, одновременно самая совершенная солнечная технология и самый простой, самый экологически безопасный источник электричества из всех задуманных».

Так что даже в 1977 году солнечная фотоэлектрическая система воспринималось как нечто этакое, почти как волшебство.

Так какая магия происходит в солнечной батарее?

Когда солнечная батарея не подключена и лежит в кузове грузовика - она просто обычная вещь, не производящая электричество.

Так же, как удлинитель, свернутый в ящике, бесполезен. Но запитайте его от розетки и подключите к нему электрическую лампу, и электроны потекут через всю сеть от электростанции через шнур удлинителя, чтобы зажечь вашу лампочку. Электричество это просто движение электронов.

Хотя солнечная панель выглядит инертной, она спроектирована так, что электроны могут проходить через нее, производя тем самым электричество.

Как работает фотоэлектрический эффект?

Все происходит на атомном уровне, поэтому нам тоже придется спуститься туда, чтобы во всем разобраться.

Солнце излучает свет в фотонах. Вспомните, электричество - это просто движущиеся электроны. Фотоны используются для перемещения электронов и вот как это получается:

Представьте падающие домино, когда одна костяшка падает и толкает другую. Так же и в нашем случае. Солнце постоянно испускает фотоны в виде солнечного света. Мы можем использовать эти быстро движущиеся частицы, чтобы сбивать электроны, заставить их двигаться.

фотоэлектрический эффект подобен домино

Каждый солнечный элемент в типичной панеле состоит из двух слоев, соединенных вместе в «пластину». В верхнем слое избыток электронов, а в нижнем недостаток. Поэтому, когда фотоны попадают на солнечную батарею, они выбивают лишние электроны из верхнего слоя в нижний. Это простое движение создает электрический ток от одной стороны ячейки к другой.

Проводники присоединены к положительной и отрицательной сторонам панели, образуя цепь. Теперь электроны могут перетекать по проводам, создавая электричество.

Все это так же легко, как уронить первую костяшку домино, чтобы остальные продолжали падать, они просто будут толкать впереди стоящего. Тоже самое и в движении электронов, нужно лишь выбить первый с помощью фотонов.

явление фотоэлектрического эффекта

Какие материалы являются полупроводниковыми?

Полупроводниковые материалы, которые использовались в солнечных элементах с самых ранних дней, такие как кремний, являются теми же видами, которые используются в микроэлектронике.

Но в последние годы были успешно опробованы и задействованы другие, в том числе CdTe (теллурид кадмия). Ведущий производитель и разработчик в мире First Solar имеет в эксплуатации солнечные батареи на основе CdTe мощностью 10 ГВт. Также продолжаются исследования новых полупроводниковых материалов, таких как перовскиты.

В целом, чем больше модуль, тем больше электроэнергии он производит. И, конечно же, чем больше модулей, например, на солнечной электростанции, тем больше электричества они сделают. И большая крыша может производить больше электричества, чем меньшая.

AC / DC войны (Война токов)

Солнечные фотоэлектрические модули вырабатывают DC ток (постоянный), но инвертор затем преобразует его в AC ток (переменный). Таким образом, полученное электричество будет хорошо ладить со всей остальной сетью, которая работает на переменном токе.

В свое время зародилась сильная война между сторонниками двух видов токов. Суть этих распрей восходит к битве между Томмасом Эдисоном и Николой Теслой, когда электричество только зарождалось. Тесла, который выступал за AC, победил. Эдисон утверждал, что система постоянного тока, которая поддерживала более низкое напряжение в сети, была более эффективной и безопасной.

Никола Тесла (Никола Тесла)

Первоначально переменный ток Теслы, где течение чередуется с его направлением, выиграл как более практичный для городов того времени, и тем самым породил текущую систему электрической сети.

В последние годы, однако, с ростом отдаленных ветровых и солнечных ферм, DC возвращается, потому что он позволяет экономичнее передавать энергию на очень большие расстояния с наименьшими потерями при транспортировке.

А поскольку постоянный ток более энергоэффективен, некоторые приборы теперь работают на постоянном токе, такие как компьютеры, аккумуляторы, сотовые телефоны, светодиодное освещение и аккумуляторы - все они преобразуют переменный ток от обычно розетки обратно в постоянный ток для более высокого качества электроэнергии.

Фотоэлектрический эффект - история открытий

Вот как мир постепенно осваивал эту магию:

В 1839 году французский физик Эдмунд Бекерель впервые заметил, что некоторые материалы имеют тенденцию реагировать на солнечный свет. Он обнаружил очень небольшое количество электрического тока: первые признаки фотоэлектрического эффекта.

Спустя почти столетие, в 1905 году, Альберт Эйнштейн описал атомный аспект того, как солнечный свет излучает фотоны, и получил Нобелевскую премию за открытие явления фотоэлектрического эффекта.

Прошло еще 50 лет. Затем Bell Laboratories построил первый фотоэлектрический модуль. Слишком дорогая разработка для коммерческого рынка, солнечная батарея была развернута в космосе, начиная с 1960-х годов. Благодаря НАСА фотогальваническая технология смогла продвинуться вперед за счет финансирования правительством космической программы.

Солнечные элементы на МКС

В течение следующих десяти лет надежность и долговечность солнечной энергии постепенно укреплялось за счет космоса. После арабских нефтяных потрясений солнечные фотогальванические элементы были рассмотрены для коммерческого использования в качестве источника электричества для частных домов на Земле.

Тогда, в 1970-х годах, солнечные батареи все еще были очень дорогими, и ими пользовались лишь несколько странных хиппи. Но многие из тех ранних панелей все еще вытворяют свою атомную магию, хотя спустя 45 лет, не так эффективно, как раньше.

Таким образом, мы знаем, что панели, изготовленные сегодня, и особенно те, которые используют испытанную технологию на основе кремния, будут по-прежнему производить электричество и через 45 лет.

Гарантии производителей, конечно, намного короче - 25 лет. Солнечные батареи теряют не более половины процента эффективности в год. Таким образом, КПД 200-ваттной панели упадет на 5% после 10 лет использования, что эквивалентно 190-ваттной панели. Но фотоэлектрическая система не перестает работать внезапно. Солнечная батарея мощностью 190 Вт обеспечивает почти столько же электрическтва, сколько панель мощностью 200 Вт.

Так же, как автомобиль, который не останавливается, когда истекает гарантия , солнечная батарея будет работать как минимум в два раза дольше, чем 25-летняя гарантия производителя.

Новостная рассылка

Следите за нашими непревзойденными продуками и технологиями.
Введите ваш e-mail и подпишитесь на нашу новостную рассылку.

Вам нужна консультация?

Оставьте заявку, и мы свяжемся с вами в ближайшее время