Fotowoltaika to temat, który wraca na naszym portalu jak bumerang. I nic dziwnego, ponieważ o panelach jest głośno i to nie tylko na portalach poświęconych technologii, ale i gospodarce, polityce, czy środowisku. Mowa w końcu o relatywnie tanim, prostym i czystym źródle energii elektrycznej. A to przecież na niej opiera się obecnie niemalże cały świat. I tutaj rodzi się jedno, bardzo ważne pytanie, które wielu ludziom umyka: jak to w ogóle działa?
Spis treści
Jak działa fotowoltaika?
Postanowiłem podejść do tematu nieco inaczej: bez szkolnych formułek, które miał prawie każdy z nas na lekcji fizyki. To w końcu portal internetowy, a nie nudny podręcznik. Nie ma tutaj więc zbyt wielu terminów naukowych. Znajdziecie za to wiele metafor, które pomogą Wam nie tylko się dowiedzieć, jak działa fotowoltaika, ale zrozumieć to w sposób intuicyjny. Oczywiście tekst ten jest sporym uproszczeniem całego procesu, ale daje pojęcie na temat tego, jak on przebiega.
Pierwsza myśl to wiadomo: fizyka czarnej dziury, albo czary. Sęk w tym, że czarne dziury są daleko, a czarów nie ma. Pozostaje więc trzecia opcja: fizyka. Tylko czy da się przerobić fotony światła słonecznego na prąd elektryczny? Oczywiście, że… nie. Z definicji prąd elektryczny jest przepływem elektronów, a panele fotowoltaiczne nie są maszyną do zamiany fotonów na elektrony – taka zamiana nawet nie jest obecnie możliwa. Elektrony to leptony, a fotony to bozony. Czyli zupełnie inne typy cząsteczek.
Skąd więc energia elektryczna w przypadku fotowoltaiki? Otóż wyobraźmy sobie, że Słońce to potężne działo oblężnicze, które strzela pociskami pod postacią fotonów. Natomiast panel fotowoltaiczny, który jest zbudowany z kryształów półprzewodnikowych (najczęściej z krzemu) to krystaliczna klatka, która więzi atomy, więc i elektrony. Kiedy rozpędzony foton uderzy w taki elektron, ten zostaje wybity, ze swojego dotychczasowego miejsca.
Jak działa fotowoltaika i jak widzimy świat
Oczywiście to nie działa tak, jakbyśmy strzelali do muru i oglądali wybite cegły. Otóż elektron po zderzeniu zyskuje większą energię i przechodzi na wyższy poziom energetyczny. To się dzieje ciągle dookoła nas. Tak naprawdę widzimy dzięki temu zjawisku: wszystko, co nas otacza, w tym my sami jesteśmy bombardowani przez fotony i nasze elektrony przechodzą na wyższy poziom. Ważne jest jednak to, że foton nie staje się elektronem, a po prostu oddaje mu swoją energię. Sęk w tym, że zaraz po tym wracają na dawne miejsce, emitując przy tym nadmiar energii pod postacią fotonów. Dlatego właśnie nie widać czarnej dziury – ta pochłania wszystkie fotony.
W przypadku fotowoltaiki również części fotonów zostaje wyemitowana na zewnątrz przez powrót elektronów na poprzednią powłokę. Jednak ich znaczna część zostaje wybita tak mocno, że nie jest już w stanie wrócić. Wynika to z tego, że materiały półprzewodnikowe przewodzą elektrony tylko w jednym kierunku. Jeśli więc elektron zostanie nieco zbyt mocno wybity, to nie ma już dla niego powrotu na dawne miejsce – a przynajmniej nie tą samą drogą.
Jak działa fotowoltaika – długa droga do domu
Mamy więc wybity elektron, który nie ma co z sobą zrobić, ale to nie wszystko: po nim pozostaje wyrwa. Tak zwana dziura elektronowa. Tym samym w jednym miejscu panel ma niedobór elektronów, a w drugim ich nadmiar. Im więcej jest wolnych elektronów i dziur elektronowych, tym większe napięcie elektryczne mamy. W normalnym materiale sytuacja taka bardzo szybko by się wyrównała: elektrony wróciłyby na swoje miejsce i byłby spokój. W półprzewodniku jednak to nie jest takie proste. Można jednak im pomóc wrócić na, miejsce budując ścieżkę, która prowadzi naokoło. Tu akurat pomaga budowa krystaliczna, która ułatwia przepływ elektronów – oczywiście jak już wspomniałem wyżej, w przypadku półprzewodników działa to tylko w jedną stronę. Działa to więc trochę tak, jak bardzo szybkie schody ruchome, dzięki którym elektrony mogą opuścić panel przewodem elektrycznym oznaczonym jako minus.
Oczywiście ścieżka nie może być zbyt prosta: zapewnienie swobodnego przepływu energii to nie tylko jej stara, ale mogłoby wręcz uszkodzić panel. Znacznie lepiej jest po drodze umieścić jakieś przeszkody. Na przykład żarówkę, akumulator, który wymaga naładowania, albo dowolne inne urządzenie elektryczne prądu stałego – w tym falownik, który generuje prąd przemienny – i pozwolić elektronom wytracić na tym energię. Ostatecznie elektrony wracają na swoje miejsce przez przewód oznaczony jako plus. A wszystko to tylko po to, aby ponownie zostać wybitymi przez fotony i powtórzyć swoją wędrówkę kolejny, kolejny i kolejny raz. A jeśli interesuje was bardziej techniczne wyjaśnienie tego tematu, to gorąco polecam ten film, w którym jest to wyjaśnione w naprawdę przystępny sposób.
Źródło: YouTube