Hvernig verkar sólarrafhlaða?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig verkar sólarrafhlaða?
Ljósspennurafhlöð (e. photovoltaic cells) eru tól sem umbreyta sólarljósi (ljósorku) beint í raforku. Þau eru gerð úr hálfleiðurum. Nánar má lesa um þá í svari sama höfundar við spurningunni Hvað er hálfleiðari?

Þegar skeytt er saman hálfleiðurum með annars vegar n-leiðni og hins vegar p-leiðni eru mynduð svonefnd pn-skeyti. Þéttleiki frjálsra rafeinda er mun meiri í n-leiðandi efninu en í p-leiðandi efninu. Á sama hátt eru holuþéttleiki mun hærri í p-leiðandi efninu en í n-leiðandi efninu.

Þegar efnunum er skeytt saman flæða rafeindir frá n-leiðandi svæðinu inn á p-svæðið og holur frá p-svæðinu inn á n-svæðið. Þessi hleðslutilfærsla leiðir til þess að næst samskeytunum myndast svæði sem snautt er af hleðsluberum. Eftir sitja jónaðar rafgjafaveilur í n-leiðandi efninu og jónaðar rafþegaveilur í p-leiðandi efninu, sem eru ekki jafnaðar með frjálsum hleðsluberum. Vegna þessa myndast við skeytin snertispenna, innra rafsvið, sem vinnur á móti frekara flæði rafeinda frá n-leiðandi efninu og hola frá p-leiðandi efninu. Í jafnvægi eru heildarstraumar rafeinda annars vegar og hola hins vegar núll.

Sólarljósi er umbreytt í raforku.

Ef ljósi er nú beint að pn-skeyti raskast jafnvægið í tólinu. Þegar ljóseind sem hefur nægilega orku fer um ljósspennurafhlaðið myndast par rafeindar og holu. Ef parið myndast í bilinu þar sem engir hleðsluberar eru leiðir rafsviðið til aðskilnaðar rafeindar og holu. Þannig myndast frjáls rafeind og hola sem geta tekið þátt í leiðniferlinu; rafstraumur kemur til sögu. Rafeindirnar safnast í n-svæðið og holurnar í p-svæðið.

Hleðsluberar sem eru myndaðir utan berasnauða bilsins verða að sveima að samskeytunum. Mest af ljósinu er gleypt nærri yfirborðinu þar sem ljósið kemur inn. Það er þess vegna mikilvægt að samskeytin séu nærri yfirborðinu svo að víkjandi hleðsluberinn (hola í n-efni) nái að samskeytunum áður en hún sameinast rafeind.

Til að sem mestu ljósi sé breytt í raforku þarf að hanna ljósspennurafhlaðið með sem stærstum samskeytafleti næst yfirborðinu. Enn fremur þarf dýpt inn að skeytunum frá yfirborðinu að vera minni en sveimlengd víkjandi bera (hola í n-leiðandi efni). Ef leiðari er tengdur við rafhlaðið getur runnið straumur sem getur til dæmis hlaðið rafhlöðu eða kveikt á ljósaperu.

Ljóseind sem hefur orku sem er minni en orkugeil efnisins hefur engin áhrif á rafhlaðið. Ljóseind sem hefur orku sem er hærri en sem nemur orkugeil efnisins leggur hins vegar sitt af mörkum til straumsins frá rafhlaðinu.

Framleitt afl frá hverju ljósspennurafhlaði er í réttu hlutfalli við ljósorkuna og yfirborðsflatarmál ljósspennurafhlaðsins. Spennan yfir rafhlaðið er gjarnan 0,6 volta jafnspenna (dc) og skammhlaupsstraumur 25-30 mA/cm².

Frekara lesefni á Vísindavefnum:

• Hvernig get ég búið til sólarrafhlöðu og hvað þarf í hana? eftir Jón Tómas Guðmundsson
• Hvað er sólin með marga geisla? eftir ÞV
• Hvað eru vind- og sólarorka? eftir Guðmund Kára Stefánsson

Heimild:

• Jack L. Stone, 1993. "Photovoltaics: Unlimited Electrical Energy From the Sun", Physics Today, no. 9, vol. 46, bls. 22-29

Mynd:

• Wikipedia.com - Solar panel. Sótt 31.3.2011.

...