แสง การทำความเข้าใจและอธิบายของการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์

แสง ก่อนหน้านี้ ซิลิคอนสองชิ้นที่แยกจากกันมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วนที่น่าสนใจเริ่มต้นเมื่อรวมเข้าด้วยกัน นั่นเป็นเพราะหากไม่มีสนามไฟฟ้าเซลล์ของแสงอาทิตย์ก็จะไม่ทำงาน สนามจะก่อตัวขึ้นเมื่อซิลิคอนชนิด N และชนิด P สัมผัสกัน ทันใดนั้น อิเล็กตรอนอิสระด้าน N มองเห็นช่องเปิดทั้งหมดด้าน P และมีความเร่งรีบที่จะเติมมันอย่างบ้าคลั่ง อิเล็กตรอนอิสระทั้งหมดเติมหลุมว่างทั้งหมดหรือไม่ ถ้าเป็นเช่นนั้น ข้อตกลงทั้งหมดก็จะไม่มีประโยชน์มากนัก

อย่างไรก็ตาม ที่จุดเชื่อมต่อพวกมันผสมกันและสร้างสิ่งกีดขวาง ทำให้อิเล็กตรอนด้าน N ข้ามไปยังด้าน P ได้ยากขึ้นและยากขึ้น ในที่สุด สภาวะสมดุลก็มาถึง และมีสนามไฟฟ้าที่แยกทั้งสองด้านออกจากกัน สนามไฟฟ้านี้ทำหน้าที่เป็นไดโอดทำให้อิเล็กตรอน และแม้แต่การผลัก ไหลจากด้าน P ไปยังด้าน N แต่ไม่ใช่ในทางกลับกัน มันเหมือนกับเนินเขา อิเล็กตรอนสามารถลงจากเนินเขาได้อย่างง่ายดาย ไปทางด้าน N แต่ไม่สามารถปีนขึ้นไปได้

เมื่อแสงในรูปของโฟตอนกระทบเซลล์สุริยะ พลังงานของแสงจะแยกคู่อิเล็กตรอนโฮลออกจากกัน โฟตอนแต่ละโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ทำให้เกิดรูอิสระเช่นกัน หากสิ่งนี้เกิดขึ้นใกล้กับสนามไฟฟ้ามากพอ หรือหากอิเล็กตรอนอิสระและโฮลอิสระหลงเข้าไปในขอบเขตอิทธิพล สนามจะส่งอิเล็กตรอนไปยังด้าน N และโฮลไปยังด้าน P สิ่งนี้ทำให้เกิดการหยุดชะงักของความเป็นกลางทางไฟฟ้าเพิ่มเติม

และถ้าจัดเตรียมเส้นทางกระแสภายนอก อิเล็กตรอนจะไหลผ่านเส้นทางไปยังด้าน P เพื่อรวมตัวกับรูที่สนามไฟฟ้าส่งไปที่นั่น และทำงานให้ไปพร้อมกัน การไหลของอิเล็กตรอนให้กระแส และสนามไฟฟ้าของเซลล์ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า ด้วยกระแสและแรงดัน มีกำลังซึ่งเป็นผลคูณของทั้งสอง ยังเหลือส่วนประกอบอีกสองสามอย่างก่อนที่ จะสามารถใช้เซลล์ได้จริงๆซิลิคอนเป็นวัสดุที่แวววาวมาก ซึ่งสามารถส่งโฟตอนกระเด็นออกไปก่อนที่มันจะทำงานเสร็จเสียอีก

มีการเคลือบสารป้องกันแสงสะท้อน เพื่อลดการสูญเสียเหล่านั้น ขั้นตอนสุดท้ายคือการติดตั้งสิ่งที่จะ ปกป้องเซลล์จากองค์ประกอบต่างๆ ซึ่งมักจะเป็นแผ่นครอบแก้ว โดยทั่วไปแล้ว โมดูลเซลล์ของแสงอาทิตย์ถูกสร้างขึ้น โดยการเชื่อมต่อเซลล์แต่ละเซลล์เข้าด้วยกันเพื่อให้ได้แรงดัน และกระแสไฟฟ้าในระดับที่เป็นประโยชน์ และใส่ไว้ในโครงที่แข็งแรงพร้อมขั้วบวกและขั้วลบ เซลล์ของแสงอาทิตย์ดูดซับพลังงานแสงแดดได้เท่าใดน่าเสียดายที่อาจจะไม่มากนัก

ตัวอย่างเช่น ในปี 2549 แผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่มีประสิทธิภาพถึงระดับประมาณ 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น ในที่สุดระบบแผงโซลาร์เซลล์ที่ล้ำสมัยที่สุดในปีนั้นก็ก้าวข้ามอุปสรรคด้านประสิทธิภาพพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีมายาวนานถึง 40 เปอร์เซ็นต์ของอุตสาหกรรม โดยบรรลุถึง 40.7 เปอร์เซ็นต์ เหตุใดการใช้เวลาในวันที่มีแดดให้คุ้มค่าที่สุดจึงเป็นเรื่องท้าทาย การสูญเสียพลังงานในเซลล์ของแสงอาทิตย์แสงที่มองเห็นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสเปกตรัมประจุไฟฟ้า

โดยจะมีรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ได้เป็นเอกรงค์ ช่วงของความยาวที่แตกต่างกันและระดับพลังงาน ดูวิธีการทำงานของแสงสำหรับการอภิปรายที่ดีเกี่ยวกับสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า แสง สามารถแยกออกเป็นความยาวคลื่นต่างๆได้ ซึ่งจะเห็นในรูปของรุ้งกินน้ำเนื่องจากแสงที่ตกกระทบเซลล์มีโฟตอนที่มีพลังงานหลากหลาย ปรากฏว่าบางโฟตอนมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะเปลี่ยนคู่อิเล็กตรอนโฮล

พวกมันก็จะผ่านเข้าไปในเซลล์ราวกับว่ามันโปร่งใสโฟตอนอื่นๆยังมีพลังงานมากเกินไป พลังงานจำนวนหนึ่งซึ่งวัดเป็นโวลต์อิเล็กตรอน และกำหนดโดยวัสดุเซลล์ ประมาณ 1.1 โวลต์อิเล็กตรอน สำหรับผลึกซิลิคอน ที่จำเป็นในการทำให้อิเล็กตรอนหลุด เรียกสิ่งนี้ว่าพลังงานช่องว่างของแถบความถี่ของวัสดุ หากโฟตอนมีพลังงานมากกว่าปริมาณที่ต้องการ พลังงานส่วนเกินจะสูญเสียไป นั่นคือ เว้นแต่ว่าโฟตอนจะมีพลังงานที่ต้องการเป็นสองเท่า

และสามารถสร้างคู่อิเล็กตรอนโฮลได้มากกว่าหนึ่งคู่แต่ผลกระทบนี้ไม่มีนัยสำคัญ ผลกระทบทั้งสองนี้เพียงอย่างเดียวสามารถทำให้เกิดการสูญเสียประมาณร้อยละ 70 ของพลังงานรังสีที่ตกกระทบ บนเซลล์ ทำไมไม่เลือกวัสดุที่มีช่องว่างแถบความถี่ต่ำจริงๆเพื่อให้ใช้โฟตอนได้มากขึ้น น่าเสียดายที่ช่องว่างแถบความถี่ยังกำหนดความแรง แรงดันไฟฟ้า ของสนามไฟฟ้าด้วย และถ้ามันต่ำเกินไป สิ่งที่สร้างขึ้นในกระแสพิเศษ โดยการดูดซับโฟตอนมากขึ้น

จะสูญเสียไปโดยการมีแรงดันไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย โปรดจำไว้ว่ากำลังไฟฟ้าคือแรงดันคูณด้วยกระแส ช่องว่างของแถบความถี่ที่เหมาะสมซึ่งสร้างความสมดุลให้กับเอฟเฟกต์ทั้งสองนี้ คือประมาณ 1.4 โวลต์ อิเล็กตรอนสำหรับเซลล์ที่ทำจากวัสดุชนิดเดียว มีความสูญเสียอื่นเช่นกัน อิเล็กตรอนต้องไหลจากด้านหนึ่งของเซลล์ไปยังอีกด้านหนึ่งผ่านวงจรภายนอก สามารถหุ้มด้านล่างด้วยโลหะเพื่อให้นำไฟฟ้าได้ดี แต่ถ้าปิดด้านบนทั้งหมด โฟตอนจะไม่สามารถผ่านตัวนำทึบแสงได้

และจะสูญเสียกระแสทั้งหมดไปในบางเซลล์ มีการใช้ตัวนำโปร่งใสบน พื้นผิวด้านบน แต่ไม่ใช่ทั้งหมด หากวางหน้าสัมผัสไว้ที่ด้านข้างของเซลล์เท่านั้น อิเล็กตรอนจะต้องเดินทางเป็นระยะทางไกลมากเพื่อไปถึงหน้าสัมผัส โปรดจำไว้ว่าซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำ เกือบจะไม่ดีเท่าโลหะสำหรับการขนส่งกระแส ความต้านทานภายใน เรียกว่าความต้านทานแบบอนุกรม ค่อนข้างสูง และความต้านทานสูงหมายถึงการสูญเสียสูง

เพื่อลดการสูญเสียเหล่านี้เซลล์มักถูกปกคลุมด้วยตะแกรงโลหะ ซึ่งช่วยลดระยะทางที่อิเล็กตรอนต้องเดินทาง ในขณะที่ครอบคลุมเพียงส่วนเล็กๆของผิวเซลล์ ถึงกระนั้น โฟตอนบางส่วนก็ถูกบล็อกโดยกริด ซึ่งต้องไม่เล็กเกินไป มิฉะนั้น ความต้านทานของตัวมันเองจะสูงเกินไป ตอนนี้รู้วิธีการทำงานของเซลล์ของแสงอาทิตย์แล้ว มาดูกันว่าต้องใช้เทคโนโลยีอะไรในการให้พลังงานแก่บ้าน พลังงานแสงอาทิตย์ในบ้าน ต้องทำอะไรเพื่อให้บ้านมีพลังงานแสงอาทิตย์

แม้ว่าจะไม่ง่ายเหมือนการตบโมดูลบางส่วนบนหลังคาแต่ก็ไม่ยากมากที่จะทำเช่นกัน ประการแรก ไม่ใช่ว่าหลังคาทุกหลังจะมีการวางแนวหรือมุมเอียงที่ ถูกต้อง เพื่อใช้ประโยชน์จากแสงอาทิตย์ อย่างเต็มที่พลังงาน ระบบมูลค่าปัจจุบัน แบบไม่ติดตามในซีกโลกเหนือควรชี้ไปทางทิศใต้ที่แท้จริง แม้ว่าการวางแนวที่หันไปทางทิศตะวันออกและทิศตะวันตกจะได้ผลเช่นกัน แม้ว่าจะสูญเสียประสิทธิภาพในระดับต่างๆกันไป

แผงโซลาร์เซลล์ควรเอียงในมุมที่ใกล้เคียงกับละติจูดของพื้นที่มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อดูดซับพลังงานในปริมาณสูงสุดตลอดทั้งปี สามารถใช้การวางแนว และความเอียงที่แตกต่างกันได้ หากต้องการเพิ่มการผลิตพลังงานให้สูงสุดในตอนเช้าหรือตอนบ่าย และฤดูร้อนหรือฤดูหนาว แน่นอนว่าโมดูลไม่ควรถูกบังด้วยต้นไม้หรืออาคารใกล้เคียง ไม่ว่าจะเป็นช่วงเวลาของวันหรือช่วงเวลาของปีก็ตาม ในโมดูลมูลค่าปัจจุบัน หากเซลล์ใดเซลล์หนึ่งถูกบังเงา การผลิตพลังงานจะลดลงอย่างมาก

หากมีบ้านที่มีหลังคาไม่บังแดดและหันไปทางทิศใต้โดยต้องตัดสินใจว่าต้องการระบบขนาดใด สิ่งนี้มีความซับซ้อนเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าการ ผลิต ไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศ ซึ่งไม่สามารถคาดเดาได้อย่างสมบูรณ์ และความต้องการไฟฟ้าก็จะแตกต่างกันไปด้วย โชคดีที่สิ่งกีดขวางเหล่านี้ค่อนข้างง่ายที่จะเคลียร์ ข้อมูลอุตุนิยมวิทยาแสดงระดับแสงแดดเฉลี่ยต่อเดือนสำหรับพื้นที่ทางภูมิศาสตร์ต่างๆโดยคำนึงถึงปริมาณน้ำฝนและวันที่มีเมฆมาก

ตลอดจนระดับความสูงความชื้น และปัจจัยอื่นๆที่ละเอียดอ่อนกว่านั้นควรออกแบบสำหรับเดือนที่เลวร้ายที่สุด เพื่อที่จะมีไฟฟ้าเพียงพอตลอดทั้งปี ด้วยข้อมูลดังกล่าวและความต้องการเฉลี่ยในครัวเรือน ค่าสาธารณูปโภคช่วยให้ทราบได้อย่างสะดวกสบายว่าใช้พลังงานเท่าใดในแต่ละเดือน มีวิธีการง่ายๆที่สามารถใช้เพื่อกำหนดจำนวนโมดูลมูลค่าปัจจุบัน ที่ต้องการ จะต้องตัดสินใจเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าของระบบด้วย ซึ่งสามารถควบคุมได้โดยการกำหนดจำนวนโมดูลที่จะต่อเป็นอนุกรม

นานาสาระ: ภูเขา การศึกษาการเกิดภาวะโลกร้อนทำลายยอดเขาเอเวอเรสต์หรือไม่