Η σημερινή κοινωνία αναπτύσσεται ραγδαία, αλλά η παραδοσιακή ενέργεια που αντιπροσωπεύεται από ορυκτή ενέργεια (όπως άνθρακας, πετρέλαιο κ.λπ.) έχει γίνει όλο και πιο δύσκολο να καλυφθεί η συνεχώς αυξανόμενη ενεργειακή ζήτηση λόγω προβλημάτων όπως οι μεγάλοι κύκλοι αναγέννησης και η μείωση των αποθεμάτων και της ποιότητας. ανάπτυξη και αξιοποίηση νέων πηγών ενέργειας Έτσι τέθηκε στην ατζέντα.
Βρείτε έμπνευση από τη φωτοσύνθεση των φυτών: χρήση ηλιακα συστηματα ρευματοσ
Όλοι γνωρίζουμε ότι η διαθέσιμη ενέργεια σε όλα τα έμβια όντα στη γη προέρχεται βασικά από τη φωτοσύνθεση των φυτών.
Εικόνα 1 Σχηματικό διάγραμμα φωτοσύνθεσης
Η φωτοσύνθεση των φυτών αναφέρεται στη βιολογική διαδικασία σύνθεσης ζάχαρης σε φυτικούς χλωροπλάστες χρησιμοποιώντας διοξείδιο του άνθρακα και νερό ως πρώτες ύλες υπό συνθήκες φωτός. Δεδομένου ότι τα σάκχαρα μπορούν να παράγουν ενέργεια κατά τη διαδικασία του μεταβολισμού, η ηλιακή ενέργεια αποθηκεύεται με αυτόν τον τρόπο.
Ωστόσο, αυτή η ενέργεια είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθεί απευθείας για εμάς και γενικά πρέπει να μετασχηματιστεί προτού γίνει ο ηλεκτρισμός που χρησιμοποιούμε γενικά. Οι αρχές της φυσικής μας λένε ότι η διαδικασία μετατροπής ενέργειας αναπόφευκτα θα επιφέρει απώλεια ενέργειας. Κατά συνέπεια, το θέμα της άμεσης μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια έχει τεθεί στην ημερήσια διάταξη.
Τότε, μπορεί η ηλιακή ενέργεια να μετατραπεί άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια; Ποιοι είναι οι παράγοντες που σχετίζονται με αυτήν τη διαδικασία μετασχηματισμού; Αυτή είναι μια αξιόλογη πρόταση για τους επιστήμονες στις αρχές του 19ου αιώνα.
Ευτυχώς, αυτό το πρόβλημα πέτυχε μια τεράστια ανακάλυψη στα τέλη του 19ου αιώνα.
Με τον «ισχυρότερο εγκέφαλο», ανακάλυψε το μυστήριο του φωτός και του ηλεκτρισμού
Το 1887, ο διάσημος φυσικός Hertz (η μονάδα συχνότητας πήρε το όνομά του) ανακάλυψε κατά λάθος σε μια μελέτη ότι το φως που λάμπει στην επιφάνεια κάποιας ύλης θα προκαλέσει αλλαγές στις ηλεκτρικές ιδιότητες της ύλης. Μεταγενέστερες μελέτες απέδειξαν ότι αυτό προκαλείται από την παραγωγή ηλεκτρονίων, οπότε αυτό το φαινόμενο ονομάζεται "φωτοηλεκτρικό φαινόμενο".
Εικόνα 2 Σχηματικό διάγραμμα φωτοηλεκτρικού εφέ
Πρέπει να γνωρίζουμε ότι εκείνη την εποχή, οι κλασικές αρχές της φυσικής που καθιερώθηκαν από τον Νεύτωνα κυριαρχούσαν στη σκέψη των ανθρώπων. Αυτή η αρχή πιστεύει ότι το φως είναι ένα είδος κύματος που μεταδίδεται στο μέσο του αιθέρα (μια ουσία που δημιουργήθηκε από τον αρχαίο Έλληνα φιλόσοφο Αριστοτέλη, η οποία δανείστηκε από τους φυσικούς τον 19ο αιώνα για να αναφερθεί στο μέσο διάδοσης του φωτός) (μπορείτε φανταστείτε τη σκηνή όπου η πέτρα ρίχνεται στη λίμνη, η επιφάνεια της λίμνης ταλαντεύεται με κυματισμούς που μεταδίδονται προς τα έξω με το νερό ως μέσο), και η ενέργεια του κύματος σχετίζεται με το πλάτος (πλάτος δόνησης) (το πλάτος του κύματος φωτός είναι η ένταση του φωτός).
Εικόνα 3 φωτοβολταικα ηλιακα συστηματα φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
Αυτό το περιστατικό φαίνεται πολύ συνεπές με την κοινή λογική. Είναι κατανοητό ότι ο ήλιος δεν είναι δυνατός το χειμώνα και το σώμα αισθάνεται ζεστό όταν εκτίθεται στον ήλιο · ενώ το καλοκαίρι, ο ήλιος είναι εκθαμβωτικός και αν δεν προσέξετε την προστασία του δέρματός σας, μπορεί να ηλιαστείτε. Επομένως, σύμφωνα με την κλασική φυσική, το αν μπορεί να συμβεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο εξαρτάται από την ένταση του φωτός · ωστόσο, αυτή η θεωρία είναι αντίθετη με τα αποτελέσματα μιας σειράς πειραμάτων εκείνη την εποχή.
Μελέτες έχουν δείξει ότι για την ίδια ουσία, το φως ορισμένων χρωμάτων δεν μπορεί να παράγει φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα ανεξάρτητα από την ένταση του φωτός και το φως ορισμένων χρωμάτων μπορεί να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα ακόμη και αν η ένταση είναι πολύ χαμηλή. Η κλασική φυσική θα πέσει σε κρίση: μια καταιγίδα σαρώνει όλη την επιστημονική κοινότητα.
Η καταιγίδα γεννά καταστροφή, αλλά μαζί της έρχεται νέα ζωή. Το πρόβλημα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου λύνεται από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν όπως το ξέρουμε.
Ο Αϊνστάιν είναι ευρέως γνωστός για την καθιέρωση της θεωρίας της σχετικότητας, αλλά ίσως δεν γνωρίζετε ότι ένας τόσο μεγάλος επιστήμονας δεν κέρδισε σχεδόν ποτέ το Νόμπελ, το οποίο αποκαλείται η υψηλότερη τιμή στην επιστημονική κοινότητα. Η συζήτηση και η διαμάχη δεν έχουν σταματήσει μέχρι τώρα ).
Ο Αϊνστάιν κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 1921 χάρη στη δημιουργική ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Πρότεινε ότι το φως αποτελείται από φωτόνια και η φύση των φωτονίων είναι ενεργειακά πακέτα. Η ενέργεια που περιέχεται σε κάθε ενεργειακό πακέτο σχετίζεται με τη συχνότητά του (ο αριθμός των αλλαγών ανά μονάδα χρόνου (1s)), οπότε το φως φωτίζει το αντικείμενο. Το αν μπορούν ή όχι να δημιουργηθούν ηλεκτρόνια στα παραπάνω εξαρτάται εξ ολοκλήρου από την ενέργεια (συχνότητα) του ενεργειακού πακέτου (φωτόνιο) και δεν έχει καμία σχέση με τον αριθμό των ενεργειακών πακέτων (ένταση φωτός).
ηλιακά κύτταρα είναι σαν "σάντουιτς"
Πιο πάνω έχουμε εισαγάγει τη διαδικασία ανακάλυψης του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και ξέρουμε επίσης πώς να παράγουμε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τότε, πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα ηλεκτρόνια που παράγονται από εμάς;
Αυτό συνεπάγεται μια άλλη μετάβαση έννοιας-ενεργειακού επιπέδου.
Εικόνα 4 Σχηματικό διάγραμμα της μετάβασης στο επίπεδο ενέργειας (Ινστιτούτο Βιοενέργειας και Διαδικασίας Qingdao, Ερευνητική Ομάδα Υλικών Μετατροπής Ενέργειας με βάση τον Άνθρακα)
Τα άτομα αποτελούνται από πυρήνες και εξωπυρηνικά ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια έξω από τον πυρήνα δεν είναι διάσπαρτα αλλά διατεταγμένα σε στρώματα σύμφωνα με τις αρχές της φυσικής. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων κοντά στον πυρήνα είναι χαμηλή και τα ηλεκτρόνια πιο μακριά από τον πυρήνα έχουν υψηλότερη ενέργεια. Διαφορετικά στρώματα Οι ενέργειες των ηλεκτρονίων είναι διαφορετικές και αυτές οι ενεργειακές τιμές ονομάζονται επίσης "επίπεδα ενέργειας".
Υπό κανονικές συνθήκες, τα εξωπυρηνικά ηλεκτρόνια τείνουν να είναι διατεταγμένα με τη μορφή της χαμηλότερης συνολικής ενέργειας. Αφού το άτομο στη βασική κατάσταση λάβει μια ορισμένη μορφή ενέργειας (όπως ένα φωτόνιο), θα μεταφερθεί αυθόρμητα σε ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, το οποίο είναι μια μετάβαση σε επίπεδο ενέργειας, και το ηλεκτρόνιο μετά τη μετάβαση ονομάζεται "διεγερμένη κατάσταση". "
Δυστυχώς, τα διεγερμένα ηλεκτρόνια δεν είναι σταθερά και τείνουν να μεταβαίνουν σε χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας.Η περίσσεια ενέργειας των ηλεκτρονίων διαχέεται με τη μορφή φωτεινής ενέργειας ή θερμικής ενέργειας.
Όχι, η ενέργεια απλώς διαχέεται, οπότε ακόμα δεν παίρνουμε ηλεκτρικό ρεύμα;
Μην ανησυχείτε, για να διεξάγουμε το ρεύμα που δημιουργείται από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, πρέπει να κατασκευάσουμε μια κατάλληλη δομή συσκευής, την οποία συχνά αποκαλούμε ηλιακό κύτταρο.
Η δομή της συσκευής είναι σαν ένα σάντουιτς. Το ενεργό στρώμα με φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι στριμωγμένο από το στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων και την οπή (το μερικό τμήμα με έλλειψη ηλεκτρονίων που σχηματίζεται μετά τη μετάβαση των ηλεκτρονίων ονομάζεται οπή) στρώμα μεταφοράς. Τα δύο άκρα είναι υλικά ηλεκτροδίων , συνήθως μέταλλα και οξείδια. Κασσίτερος ινδίου (ITO).
Σχήμα 5 ηλιακό κύτταρο Σχηματικό διάγραμμα της κοινής δομής της συσκευής
Αφού το άτομο στη βασική κατάσταση λάβει μια ορισμένη μορφή ενέργειας (όπως ένα φωτόνιο), θα μεταφερθεί αυθόρμητα σε ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, το οποίο είναι μια μετάβαση σε επίπεδο ενέργειας, και το ηλεκτρόνιο μετά τη μετάβαση ονομάζεται "διεγερμένη κατάσταση". " Επειδή το ενεργειακό επίπεδο διεγερμένης κατάστασης του στρώματος μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι ελαφρώς χαμηλότερο από αυτό του ενεργού στρώματος, τα ηλεκτρόνια στην διεγερμένη κατάσταση του ενεργού στρώματος μεταφέρονται εύκολα στο στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων αντί να επιστρέψουν στη βασική κατάσταση του ενεργού στρώματος. ενώ η θεμελιώδης κατάσταση του στρώματος μεταφοράς οπών είναι χαμηλότερη από τη βασική κατάσταση του ενεργού στρώματος Η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι ελαφρώς υψηλότερη και το ηλεκτρόνιο έχει την τάση να μεταφέρεται στη βασική κατάσταση του ενεργού στρώματος.
Αυτό είναι σαν να στήνουμε ένα μικρό βήμα για το ηλεκτρόνιο, έτσι ώστε το ηλεκτρόνιο να χρειάζεται μόνο να «σηκώσει το πόδι» για να περάσει, παρά ένα δύσκολο άλμα (άλμα), οπότε η όλη διαδικασία είναι εύκολο να επιτευχθεί.
Μέσω της αποτελεσματικής συνεργασίας του στρώματος μεταφοράς ηλεκτρονίων και του στρώματος μεταφοράς οπών, ολόκληρη η συσκευή σχηματίζει έναν πλήρη βρόχο και τα ηλεκτρόνια που παράγονται στο ενεργό στρώμα μπορούν να εξαχθούν και να χρησιμοποιηθούν από εμάς.
Λοιπόν, μετά τη μετατροπή, τελικά παίρνουμε ηλεκτρική ενέργεια απευθείας από την ηλιακή ενέργεια και αυτή είναι η αρχή των ηλιακών κυψελών. Ο ρυθμός της επιστημονικής εξερεύνησης δεν σταματά ποτέ. Ακριβώς λόγω της μεγάλης έρευνας και ανακάλυψης αυτών των μεγάλων επιστημόνων, η ζωή των ανθρώπων μπορεί να γίνει καλύτερη και καλύτερη. Ας τους αποτίσουμε φόρο τιμής!