Как работают солнечные батареи

22 March 2018

На поверхность Земли падает огромное количество энергии: около 173000 тераватт. Если посчитать, сколько энергии использует все население планеты, то эта цифра будет в 10000 раз больше. Чтобы понять, настанет ли тот день, когда люди на 100% перейдут на солнечную энергии, давайте рассмотрим как устроена работа солнечных батарей и то, каким образом эта их энергия превращается в электричество.

Принцип работы солнечной батареи

Солнечные батареи представляют собой систему, состоящую из большого числа связанных фотоэлементов. Они изготовляются обычно из полупроводников, самым распространенным из которых является кремний. Между двумя слоями с разной проводимостью в ячейке батареи располагается кристаллический кремний, каждый атом которого соединен сильными связями с соседними четырьмя. Эти связи удерживают электроны и не позволяют протекать току. Отсюда и принцип работы: переход электронов из слоя с избытком электронов (n-тип) в слой с недостатком (p-тип), называемый дыркой. При таком переходе, называемым p-n переходом, образуется на одной стороне положительный заряд, а на другой - отрицательный.

Солнечный свет представляет собой поток мельчайших частиц - фотонов. Фотоны, сталкиваясь с фотоэлементом, выбивают из его связи электроны, оставляя на их месте дырку. Благодаря электрическому полю на p-n переходе, отрицательно заряженные электроны передвигаются в сторону положительно заряженной дырки. Таким образом, на поверхности ячейки скапливаются подвижные электроны. Далее они протекают по внешней цепи на противоположный слой, попутно выполняя электрическую работу.

Один такой фотоэлемент имеет мощность 0.5 Вт. Мощность батареи увеличивают, объединяя ячейки в модули. 12 ячеек достаточно, чтобы зарядить мобильный телефон. Для того, чтобы обеспечить электричеством весь дом, необходимо много таких модулей. Солнечные батареи могут работать десятилетиями, поскольку единственным подвижным элементом в их конструкции являются электроны, которые, к тому же, постоянно возвращаются туда, где появились, а значит, здесь ничего не расходуется и не изнашивается.

Замена существующих источников энергии на солнечную

Почему люди полностью не перейдут на солнечную энергию? На это решение влияют не только политики, но и бизнес, который пытается сохранить лидирующие позиции на уже существующих рынках. Но существует еще и физическая проблема: солнечная энергия не равномерно распределена по поверхности Земли. К тому же, ее намного меньше в пасмурные дни или ночью. Это означает, что требуются дополнительные усилия для производства более эффективных батарей, а также для создания инфраструктуры для хранения выработанной энергии.

Эффективность самих фотоэлементов пока что вызывает много вопросов. Если солнечный свет не поглощается, а отражается от поверхности батареи, или электрон возвращается обратно к дырке, не успев пройти по цепи, то энергия фотонов теряется. КПД самой эффективной на сегодняшний день батареи составляет 46%. А большинство промышленных установок имеют еще меньшую эффективность - около 15-20%.

При текущем уровне развития солнечной технологии человечество все же смогло бы полностью снабжать мир энергией. Вопрос лишь в финансировании для создания нужной инфраструктуры, а также поиске достаточного пространства. По предварительным расчетам, для установки батарей понадобится несколько сотен тысяч квадратных километров. На самом деле не такая уж и большая цифра. Площадь только одной Сахары составляет около 8 миллионов километров.

Сотни миллионов людей по всему миру, особенно в не развитых странах, не имеют доступа к надежным источником энергии. При этом во многих из таких стран Солнца в изобилии. Поэтому в таких местах солнечная энергия будет намного дешевле и безопаснее, чем альтернативные источники, такие как топливо.

С каждым годом солнечные батареи становятся лучше, дешевле и все больше конкурируют с существующими источниками энергии. Эта технология в ближайшем будущем может полностью изменить ландшафт нашей планеты.

Понравилась статья? Ставьте "Палец вверх" и подписывайтесь на канал!