De huidige maatschappij ontwikkelt zich snel, maar de traditionele energiebronnen (zoals steenkool en aardolie), vertegenwoordigd door fossiele brandstoffen, kunnen steeds moeilijker aan de groeiende vraag naar energie voldoen als gevolg van lange regeneratiecycli, afnemende reserves en kwaliteit, enz. De ontwikkeling en het gebruik van nieuwe energiebronnen staat daarom op de agenda.
Inspiratie halen uit de fotosynthese van planten: met zonnep
Wij weten allemaal dat in principe alle energie die beschikbaar is voor alle levende wezens op aarde afkomstig is van fotosynthese in planten.
Fig. 1 Schematische weergave van de fotosynthese
Fotosynthese in planten is het biologische proces waarbij in de chloroplasten van planten onder lichtomstandigheden suikers worden gesynthetiseerd uit kooldioxide en water. zonne-energie wordt op deze wijze opgeslagen, aangezien suikers energie kunnen produceren in het proces van de stofwisseling.
Deze energie is voor ons echter moeilijk rechtstreeks te gebruiken en moet meestal worden omgezet voordat zij de elektrische energie kan worden die wij gewoonlijk gebruiken. De beginselen van de fysica vertellen ons dat het proces van energieomzetting onvermijdelijk een verlies van energie met zich meebrengt. De directe omzetting van zonne-energie in elektrische energie staat daarom op de agenda.
Dus, kan zonne-energie direct worden omgezet in elektriciteit? En welke factoren spelen een rol in dit omschakelingsproces? Dit was een fascinerende stelling voor wetenschappers aan het begin van de 19e eeuw.
Gelukkig kwam er aan het eind van de 19e eeuw een grote doorbraak in dit raadsel.
De man met het 'sterkste brein' ontdekt de mysteries van licht en elektriciteit
In 1887 ontdekte de beroemde natuurkundige Hertz (naar wie de eenheid van frequentie vandaag is genoemd) bij toeval tijdens een onderzoek dat licht dat op het oppervlak van bepaalde stoffen schijnt, een verandering veroorzaakt in de elektrische eigenschappen van de stof. Later onderzoek toonde aan dat dit te wijten was aan de opwekking van een stroom elektronen, en het verschijnsel werd bekend als het "foto-elektrisch effect".
Fig. 2 Schematische voorstelling van het foto-elektrisch effect
Het is belangrijk te begrijpen dat in die tijd de door Isaac Newton opgestelde beginselen van de klassieke natuurkunde het denken van de mensen beheersten. Volgens dit principe is licht een golf die wordt overgebracht in een medium zoals de Ether (een stof die door de oude Griekse filosoof Aristoteles werd bedacht en door natuurkundigen in de 19e eeuw werd geleend om te verwijzen naar het medium waardoor licht reist) (stel je een steen voor die in een meer wordt gegooid, waarvan het oppervlak in een cirkel naar buiten rimpelt met water als medium), en de energie van de golf is gerelateerd aan de amplitude (de amplitude van de lichtgolf is de intensiteit van het licht).
Fig. 3 Rimpelingen veroorzaakt door stenen die in het meer worden gegooid
Dit lijkt een kwestie van gezond verstand te zijn. Zoals u zich kunt voorstellen, is de zon in de winter niet zo sterk dat zij warm aanvoelt op uw lichaam, terwijl de zon in de zomer zo fel is dat u zonnebrand kunt oplopen als u uw huid niet beschermt. Volgens de klassieke natuurkunde hangt het optreden van het foto-elektrisch effect dus af van de intensiteit van het licht; deze theorie is echter in tegenspraak met een reeks experimentele resultaten uit die tijd.
De klassieke natuurkunde verkeert in een crisis nadat uit onderzoek is gebleken dat sommige kleuren licht van dezelfde stof geen foto-elektrisch effect kunnen produceren, ongeacht de intensiteit van het licht, terwijl andere kleuren wel een elektrische stroom kunnen produceren, zelfs bij zeer lage intensiteit: er is een storm op komst die de hele wetenschappelijke gemeenschap zal overspoelen.
De storm bracht verwoesting, maar daarmee ook nieuw leven. En het was Albert Einstein, zoals wij hem kennen, die het raadsel van het foto-elektrisch effect oploste.
Einstein is algemeen bekend om zijn relativiteitstheorie, maar de mensen weten misschien niet dat zo'n groot wetenschapper ternauwernood de Nobelprijs heeft gemist, die bekend staat als de hoogste eer in de wetenschap (Nobelprijzen worden nooit toegekend voor controversiële ontdekkingen, en het debat en de controverse over de relativiteitstheorie duren tot op de dag van vandaag voort).
Einstein kreeg de Nobelprijs voor natuurkunde in 1921 voor zijn creatieve verklaring van het foto-elektrisch effect. Hij stelde voor dat licht bestaat uit fotonen, die van nature pakketjes energie zijn, en dat de energie in elk pakketje verband houdt met de frequentie ervan (het aantal veranderingen per tijdseenheid (1s)), zodat de vraag of licht dat op een voorwerp valt elektronen produceert volledig afhangt van de energie (frequentie) van het pakketje (foton), onafhankelijk van het aantal pakketjes (lichtintensiteit).
De zonnecel is als een "sandwich"
Wij hebben beschreven hoe het foto-elektrisch effect werd ontdekt en hoe het kan worden geproduceerd, maar hoe kunnen de resulterende elektronen door ons worden gebruikt?
Dit brengt ons bij een ander concept - de energiesprong.
Figuur 4 Schematisch diagram van de energieniveausprong (Qingdao Institute of Bioenergy and Processes, Carbon Based Energy Conversion Materials Research Group)
Het atoom bestaat uit een kern en elektronen buiten de kern. De elektronen buiten de kern zijn niet verstrooid, maar zijn gerangschikt in lagen volgens de beginselen van de natuurkunde, waarbij de elektronen dichtbij de kern een lage energie hebben en de elektronen verder weg van de kern een hogere energie hebben.
Onder normale omstandigheden hebben de elektronen buiten de kern altijd de neiging zich te rangschikken met de laagste totale energie, zodat men zegt dat het elektron zich in de "grondtoestand" bevindt. Wanneer een atoom in de grondtoestand een of andere vorm van energie ontvangt (b.v. een foton), gaat het spontaan naar een hoger energieniveau, wat een energiesprong wordt genoemd.
Helaas is het elektron in de aangeslagen toestand echter onstabiel en heeft het de neiging naar lagere energieniveaus te springen, en de overtollige energie van het elektron wordt afgevoerd in de vorm van licht- of warmte-energie.
Nee, de energie straalt gewoon uit en we krijgen nog steeds geen elektriciteit, of wel?
Maak u geen zorgen, om de door het foto-elektrisch effect opgewekte stroom te geleiden, moeten wij de juiste apparaatstructuur construeren, die vaak een zonnecel wordt genoemd.
De structuur van het apparaat is sandwich-achtig, waarbij de actieve laag met het foto-elektrisch effect wordt ingeklemd tussen de elektronentransportlaag en de gatentransportlaag (het gedeeltelijk elektronentekort dat ontstaat na de elektronensprong wordt de gatentransportlaag genoemd), met de elektrodematerialen, gewoonlijk metaal en Indium Tin Oxide (ITO), aan beide uiteinden.
Wanneer een atoom in de grondtoestand een of andere vorm van energie ontvangt (b.v. een foton), gaat het spontaan over naar een hoger energieniveau, hetgeen een energiesprong wordt genoemd. Omdat de aangeslagen toestand van de elektronentransportlaag zich op een iets lager energieniveau bevindt dan dat van de actieve laag, hebben elektronen uit de aangeslagen toestand van de actieve laag de neiging over te gaan naar de elektronentransportlaag in plaats van terug naar de grondtoestand van de actieve laag; terwijl de grondtoestand van de gatentransportlaag zich op een iets hoger energieniveau bevindt dan de grondtoestand van de actieve laag, en elektronen de neiging hebben over te gaan naar de grondtoestand van de actieve laag.
Het is alsof kleine stappen worden opgezet voor de elektronen om "hun voeten op te tillen" en erover te gaan, in plaats van moeilijke sprongen (leaps) te maken, zodat het gehele proces gemakkelijk te verwezenlijken is.
Door de effectieve coördinatie van de elektronentransportlaag en de gatentransportlaag vormt het gehele apparaat een compleet circuit en kunnen de door de actieve laag gegenereerde elektronen voor ons gebruik worden geëxporteerd.
Fig. 5 Schematisch diagram van een gewone zonnecelapparaatstructuur
Welnu, na de transformatie, krijgen we eindelijk elektriciteit rechtstreeks uit de zonne-energie en dit is het principe van de zonnecel. De wetenschap houdt nooit op met ontdekken en het is dankzij het geweldige onderzoek en de ontdekkingen van deze grote wetenschappers dat het leven van de mensen steeds beter wordt, dus laten we hulde aan hen brengen!