Kaip veikia saulės elementai: nuo vienos fotonų kibirkšties iki elektros mūsų telefonuose

Saulės elektrinės Lietuvoje matomos vis dažniau, o ant daugelio namų stogų jau blizga nedideli moduliai. Tačiau pats procesas, kaip šviesa virsta elektra, dažnai lieka tik bendru supratimu: „saulė šviečia, gauname energijos“.

Iš tikrųjų saulės elementai yra įdomus puslaidininkių fizikos ir medžiagų mokslo derinys. Suprasti pagrindinius principus verta ne tik svarstant apie nuosavą elektrinę, bet ir tam, kad aiškiau matytume, kokios technologijos laukia ateityje.

Kas iš tiesų yra saulės elementas

Saulės elementas yra nedidelė plokštelė, dažniausiai pagaminta iš silicio. Tai puslaidininkis, kuris tam tikromis sąlygomis gali ir praleisti, ir nepraleisti elektros srovės. Būtent šią savybę išnaudoja fotovoltiniai įrenginiai.

Ant stogo matomi moduliai susideda iš dešimčių ar net šimtų atskirų elementų, sujungtų į vieną grandinę. Kuo daugiau elementų ir kuo didesnis jų naudingumo koeficientas, tuo daugiau elektros galima sugeneruoti iš to paties saulės ploto.

Kaip fotonas paverčiamas elektra

Saulės šviesa susideda iš mažų energijos „pakuočių“, vadinamų fotonais. Kai fotonas pataiko į silicio kristalą, dalis jo sugeriama. Jei fotono energijos pakanka, jis gali išmušti elektroną iš jo įprastos būsenos.

Silicyje elektronai paprastai susieti su atomais ir nevarinėja laisvai. Fotonui pataikius, elektronas gauna impulsą ir pereina į vadinamąją laidumo juostą, kur gali judėti. Taip sukuriama judri neigiamo krūvio dalelė ir paliekama „skylė“ su teigiamu krūviu.

Puslaidininkių sandara ir vidinis „diodas“

Vien fotonų nepakanka, kad gautume nuolatinę srovę. Reikia mechanizmo, kuris elektronus ir „skyles“ atskirtų taip, kad jie imtų tvarkingai judėti. Tam naudojamas vadinamasis p–n sandūris, sukuriantis vidinį elektrinį lauką.

Silicis specialiai „užteršiamas“ labai mažais kitų elementų kiekiais. Vienoje pusėje pridedama priemaišų, kurios suteikia papildomų elektronų (n sritis), kitoje – priemaišų, kurias galima įsivaizduoti kaip teigiamų skylių perteklių (p sritis). Susidūrus šioms sritims susiformuoja zona su vidiniu lauku.

Elektrinių krūvių judėjimas ir srovė grandinėje

Kai fotonas išmuša elektroną p–n sandūroje ar šalia jos, vidinis elektrinis laukas stumia elektroną į vieną pusę, o „skylę“ į kitą. Taip natūraliai sukuriamas judančių krūvių srautas. Jis yra nuolatinė srovė, jei elementas prijungtas prie išorinės grandinės.

Prijungus laidus ir apkrovą, pavyzdžiui, lemputę ar inverterį, elektronai pradeda tekėti grandine, atlikdami darbą. Kuo daugiau fotonų sugeriama, tuo daugiau elektronų pajudinama ir tuo didesnė galia gaunama iš saulės elemento.

Kodėl saulės elementų naudingumo koeficientas ribotas

Net ir moderniausi silicio moduliai paverčia elektra tik dalį krintančios saulės energijos. To priežastis yra kelios: ne visi fotonai turi pakankamai energijos, dalis šviesos atsispindi, dalis virsta šiluma, o dalis elektronų rekombinuoja su skylėmis nepasiekę kontaktų.

Be to, kiekvienas puslaidininkis turi savo „draudžiamąją juostą“, energetinį slenkstį, kuris lemia, kokius bangos ilgius jis gali efektyviausiai sugerti. Saulės spinduliuotė plati ir vienam medžiagos tipui optimaliai „sugaudyti“ visą spektrą sudėtinga.

Skirtingos technologijos: nuo kristalinio silicio iki plonųjų sluoksnių

Šiuo metu daugiausia naudojami kristalinio silicio moduliai, gaminami iš vientisų (monokristalinių) arba daugiakristalinių plokštelių. Jie pasižymi ilgaamžiškumu ir gana aukštu naudingumo koeficientu, todėl tapo rinkos standartu.

Greta jų vystomos plonųjų sluoksnių technologijos, tokios kaip kadmio telurido ar vario, indžio ir seleno junginiai. Šie elementai gali būti lengvesni, lankstesni, juos galima klijuoti ant įvairių paviršių, tačiau jų gamybos niuansai ir sąnaudos vis dar riboja paplitimą.

Naujos kryptys: tandemai ir perovskitai

Pastaraisiais metais daug dėmesio sulaukia vadinamieji tandemai, kai į vieną modulį sujungiami du ar daugiau skirtingų sluoksnių. Kiekvienas sluoksnis „gaudo“ skirtingą šviesos dalį, todėl bendra sistema gali dirbti efektyviau nei vieno sluoksnio elementas.

Viena perspektyviausių medžiagų čia yra perovskitai, kuriuos galima užnešti ant silicio sluoksnio. Taip teoriškai įmanoma pakelti naudingumo koeficientą reikšmingai daugiau nei įprastų silicio modulių, tačiau iššūkių kelia ilgaamžiškumas ir atsparumas aplinkos poveikiui.

Kas vyksta stogo lygyje: nuo modulio iki rozetės

Ant stogo esantys moduliai generuoja nuolatinę srovę, kurios įtampos lygis ir srovės stipris priklauso nuo modulių jungimo schemos. Ši energija perduodama į inverterį, kuris nuolatinę srovę paverčia kintamąja, tinkama buitiniams prietaisams.

Inverteris taip pat sinchronizuoja elektros fazę su tinklu ir stebi darbą: jei tinkle dingsta elektra, jis išjungia saulės elektrinę dėl saugumo. Tik po šių etapų energija keliauja į namų skydelį ir atsiduria rozetėse bei buitinėje technikoje.

Klimatas, temperatūra ir šešėliai: ką svarbu žinoti Lietuvoje

Dažnai manoma, kad Lietuvoje saulė per silpna efektyviai gaminti elektrą, tačiau vidutinės platumos saulės energijai palankios. Modulių našumui svarbus ne tik šviesos kiekis, bet ir temperatūra, nes pernelyg įkaitęs silicis dirba ne taip efektyviai.

Šešėliai taip pat turi didelę reikšmę. Jei viena modulio dalis užtemdoma, pavyzdžiui, medžio šakos, visa grandinė gali prarasti dalį galios. Todėl sistemoje naudojami papildomi sprendimai, pavyzdžiui, apėjimo diodai ar optimizatoriai, kad šešėliai kuo mažiau gadintų bendrą rezultatą.

Kodėl svarbu suprasti fizikos pagrindą

Saulės elementų veikimo supratimas leidžia realistiškiau vertinti gamintojų pažadus ir skaičius pasiūlymuose. Žinant, nuo ko priklauso našumas, lengviau suprasti, kodėl to paties galingumo sistemos gali duoti skirtingą rezultatą skirtinguose stoguose.

Be to, tai padeda įvertinti, kokios naujos technologijos iš tiesų žada proveržį, o kur dar daug neatsakytų klausimų. Nors kasdieniame gyvenime užtenka paspausti jungiklį ir gauti šviesą, už šio paprasto gesto slypi įspūdingai suderinta fotonų ir elektronų fizika.