Hogyan működnek a napelemek?

Akár napenergiával működő számológépen, akár egy nemzetközi űrállomáson, a napelemek villamos energiát generálnak az elektronika ugyanazon alapelveinek felhasználásával, mint a vegyi elemek vagy a szokásos elektromos aljzatok.A napelemekkel az elektronok szabad áramlásáról szól az áramkörön keresztül.A napelemek alapvető eleme ugyanaz az elem, amely elősegítette a számítógépes forradalom létrehozását - a tiszta szilícium.Amikor a szilíciumot minden szennyeződés megfosztja, ideális semleges platformot jelent az elektronok átviteléhez.A szilíciumnak van néhány atomszintű tulajdonsága is, amelyek még vonzóbbá teszik a napelemek létrehozásához.

A szilíciumatomok nyolc elektronnak van helyük a külső sávokban, de természetes állapotukban csak négyet hordoznak.Ez azt jelenti, hogy van hely további négy elektron számára.Ha az egyik szilíciumatom egy másik szilíciumatomot érint, akkor mindegyik megkapja a másik atom négy elektronját.Ez erős kötést hoz létre, de nincs pozitív vagy negatív töltés, mivel a nyolc elektron kielégíti az atomok igényeit.A szilíciumatomok évekig kombinálódhatnak, hogy egy nagy darab tiszta szilíciumot eredményezzenek.Ezt az anyagot a napelemek lemezeinek kialakítására használják.Két tiszta szilícium lemez nem termel villamos energiát a napelemekben, mert nincs pozitív vagy negatív töltésük.A napelemeket a szilícium kombinálásával hozzák létre más olyan elemekkel, amelyek pozitív vagy negatív töltésűek.

Például a foszfor öt elektronnal rendelkezik, amelyeket más atomoknak kínálhat.Ha a szilíciumot és a foszfort kémiailag kombinálják, akkor az eredmény egy stabil nyolc elektron, egy további szabad elektronnal az utazáshoz.Nem hagyhatja el, mert a többi foszfor -atomhoz kötött, de a szilíciumnak nincs szüksége.Ezért ezt az új szilícium/foszfor lemezt negatív töltésnek tekintik.Ezt napelemekben érik el, ha a szilíciumot olyan elemmel kombinálják, mint például a Boron, amelynek csak három elektronja van.A szilícium/bórlemeznek még mindig van egy foltja a másik elektronhoz.Ez azt jelenti, hogy a lemez pozitív töltéssel rendelkezik.A két lemezt napelemekbe szendvicseljük, és vezetőképes vezetékek futnak közöttük.A természetes napfény sokféle energiás részecskéket küld ki, de az, amelyet leginkább érdekel, fotonnak nevezzük.A foton lényegében mozgó kalapácsként működik.Amikor a napelem negatív lemezeit megfelelő szögben mutatják a napsütéshez, a fotonok bombázzák a szilícium/foszforatomokat.

Végül a 9. elektronot, amely egyébként szabadon akar lenni, leütötte a külső gyűrűt.Ez az elektron hosszú ideig nem marad szabadon, mivel a pozitív szilícium/bórlap a saját külső sávján a nyitott pontba vonzza.Ahogy a nap fotonjai több elektronot szakítanak le, villamos energiát generálnak.Az egyik napelem által generált villamos energia nem túl lenyűgöző, de amikor az összes vezetőképes vezeték a szabad elektronokat távolítja el a lemezektől, elegendő áram van az alacsony áramerősségű motorok vagy más elektronika táplálásához.Bármelyik elektronot nem használják, vagy nem veszítik el a levegőben, visszatérnek a negatív lemezre, és az egész folyamat újra megkezdődik.

A napelemek használatának egyik fő problémája a kis mennyiségű villamos energia, amelyet méretükhöz képest generálnak.Lehet, hogy egy számológépnek csak egyetlen napelemre van szüksége, de a napenergiával működő autóhoz több ezerre lenne szükség.Ha a napelemek szöge még enyhén is megváltozik, akkor a hatékonyság 50 % -kal csökkenhet.

A napelemekből származó némi energia kémiai akkumulátorokban tárolható, de általában nem MUCH A túlzott hatalom elsősorban.Ugyanaz a napfény, amely a fotonokat biztosítja, rombolóbb ultraibolya és infravörös hullámokat is biztosít, amelyek végül a panelek fizikailag lebomlanak.A paneleket pusztító időjárási elemeknek is ki kell tüntetni, amelyek szintén súlyosan befolyásolhatják a hatékonyságot.A jövőbeli tudósok számára a hatékonyabb napelemek létrehozása az lesz, hogy elég kicsik a gyakorlati alkalmazásokhoz, és elég erősek ahhoz, hogy túlzott energiát hozzanak létre, amikor a napfény nem áll rendelkezésre.