Kann die Sonne Strom erzeugen? Die Sonne „kann“ Strom erzeugen!

Der Fortschritt und die Entwicklung der Gesellschaft können nicht von der Förderung und Unterstützung der „Energie“ getrennt werden. Besonders nach den beiden industriellen Revolutionen ist den Menschen die Bedeutung der Energieentwicklung immer stärker bewusst geworden.

Stellen Sie sich vor: Wäre unser Leben ohne Energie immer noch so bunt?

Mit den rasanten Veränderungen in der Gesellschaft wird es jedoch für herkömmliche fossile Energieträger (wie Kohle, Öl usw.) immer schwieriger, den steigenden Energiebedarf zu decken. Dies liegt an Problemen wie langen Regenerationszyklen und Jahr für Jahr abnehmenden Reserven und Qualität.

Aus diesem Grund haben Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf die Entwicklung erneuerbarer und nachhaltiger neuer Energiequellen gerichtet und dabei ist ihnen ein „Energieschatz“ ins Auge gerückt: die Sonne.

Inspiration durch die Photosynthese der Pflanzen: Sonnenenergie zur Stromerzeugung nutzen

Wir alle wissen, dass fast die gesamte Energie, die allen Lebewesen auf der Erde zur Verfügung steht, aus der Photosynthese der Pflanzen stammt.

Schematische Darstellung der Photosynthese (Quelle: http://www.1010jiajiao.com/czsw/shiti_id_d623a67f6a9c974e1647ce187eb3f72a)

Unter der Photosynthese von Pflanzen versteht man den biologischen Prozess der Zuckersynthese in den Chloroplasten von Pflanzen unter Lichtbedingungen unter Verwendung von Kohlendioxid und Wasser als Rohstoffe. Da Zucker beim Stoffwechsel Energie erzeugen kann, wird auf diese Weise Sonnenenergie gespeichert.

Allerdings muss diese Energie im Allgemeinen umgewandelt werden, bevor sie in die von uns üblicherweise genutzte elektrische Energie umgewandelt werden kann. Daher ist es für uns schwierig, sie direkt zu nutzen. Darüber hinaus besagen die Prinzipien der Physik, dass der Energieumwandlungsprozess unweigerlich zu Energieverlusten führt. Daher wurde das Thema der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie auf die Tagesordnung gesetzt.

Kann Sonnenenergie also direkt in Elektrizität umgewandelt werden? Welche Faktoren hängen mit diesem Transformationsprozess zusammen? Für die Wissenschaftler des frühen 19. Jahrhunderts war dies ein bemerkenswerter Vorschlag. Glücklicherweise gelang Ende des 19. Jahrhunderts ein entscheidender Durchbruch bei der Lösung dieses Problems.

Er hat das „stärkste Gehirn“ und entdeckte die Geheimnisse von Licht und Elektrizität

Im Jahr 1887 entdeckte der berühmte Physiker Hertz (die heutige Frequenzeinheit ist nach ihm benannt) bei einer Studie zufällig, dass Licht, das auf die Oberfläche bestimmter Materialien fällt, Veränderungen der elektrischen Eigenschaften dieser Materialien verursacht. Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass dies durch die Erzeugung eines Elektronenflusses verursacht wird. Daher wird dieses Phänomen als „photoelektrischer Effekt“ bezeichnet .

Schematische Darstellung des photoelektrischen Effekts (Bildquelle: http://img.mp.itc.cn/upload/20160511/076aa3518f444e0c902e391fe7613d1e_th.jpg)

Wissen Sie, die Funktionsweise der Welt muss den Prinzipien der Physik entsprechen. Zu dieser Zeit beherrschten die von Newton aufgestellten klassischen physikalischen Prinzipien das Denken der Menschen. Dieses Prinzip besagt, dass Licht eine Welle ist, die sich im Medium Äther bewegt (eine Substanz, die vom antiken griechischen Philosophen Aristoteles erfunden und im 19. Jahrhundert von Physikern übernommen wurde, um das Medium für die Lichtausbreitung zu bezeichnen) (stellen Sie sich einen Stein vor, der in einen See geworfen wird. Auf der Oberfläche des Sees bilden sich Wellen, die mit dem Wasser als Medium nach außen übertragen werden), und dass die Energie der Welle mit der Amplitude (Schwingungsamplitude) zusammenhängt (die Amplitude der Lichtwelle ist die Intensität des Lichts).

Das scheint völliger Menschenverstand zu sein. Wie Sie sich vorstellen können, ist das Sonnenlicht im Winter nicht stark und Sie fühlen sich warm, wenn es auf Ihren Körper scheint. Im Sommer ist das Sonnenlicht jedoch blendend und Sie können einen Sonnenbrand bekommen, wenn Sie nicht auf den Schutz Ihrer Haut achten. Daher hängt es in der klassischen Physik von der Lichtintensität ab, ob der photoelektrische Effekt auftreten kann. Allerdings widersprach diese Theorie einer Reihe damaliger Versuchsergebnisse.

Studien haben gezeigt, dass bei ein und derselben Substanz manche Lichtfarben unabhängig von der Lichtstärke keinen photoelektrischen Effekt hervorrufen, während manche Lichtfarben sogar bei sehr geringer Intensität elektrischen Strom erzeugen können. Die klassische Physik geriet in eine Krise und ein Sturm braute sich zusammen, der die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft erfassen würde.

Stürme bringen Zerstörung, aber auch neues Leben. Einer nach dem anderen trotzten große Wissenschaftler den Wellen im Zentrum des Sturms, und die klassische Physik stach unter den doppelten Korrekturen der relativistischen Physik und der Quantenphysik erneut in See.

Der Meister, der das Problem des photoelektrischen Effekts löste, war Albert Einstein, den wir alle kennen.

Einstein ist weithin als Begründer der Relativitätstheorie bekannt. Was Sie jedoch vielleicht nicht wissen, ist, dass ein solch großer Wissenschaftler beinahe nicht den Nobelpreis erhalten hätte, der als höchste Auszeichnung der Wissenschaftsgemeinschaft gilt (der Nobelpreis wird nie für umstrittene Entdeckungen verliehen, und die Diskussionen und Kontroversen über die Relativitätstheorie haben bis heute nicht aufgehört).

Für seine kreative Erklärung des photoelektrischen Effekts erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik. Er schlug vor, dass Licht aus Photonen besteht und dass die Essenz von Photonen Energiepakete sind. Die in jedem Energiepaket enthaltene Energie hängt mit seiner Frequenz zusammen (der Anzahl der Änderungen innerhalb einer Zeiteinheit (1 s)). Ob beim Auftreffen von Licht auf ein Objekt Elektronen entstehen können, hängt daher ausschließlich von der Energie (Frequenz) des Energiepakets (Photon) ab und hat nichts mit der Anzahl der Energiepakete (Lichtintensität) zu tun.

Wie funktionieren „Sandwich“-Solarzellen?

Oben haben wir den Entdeckungsprozess des photoelektrischen Effekts vorgestellt und wussten auch, wie man den photoelektrischen Effekt erzeugt. Wie können wir also die erzeugten Elektronen nutzen?

Dabei handelt es sich um ein weiteres Konzept: den Übergang des Energieniveaus.

Schematische Darstellung des Energieniveauübergangs (Bildquelle: Qingdao Institute of Bioenergy and Process Technology, Carbon-based Energy Conversion Materials Research Group)

Ein Atom besteht aus einem Kern und Elektronen außerhalb des Kerns. Die Elektronen außerhalb des Atomkerns sind nicht zufällig angeordnet, sondern gemäß den Prinzipien der Physik in Schichten angeordnet. Die Elektronen in der Nähe des Kerns haben eine niedrige Energie, und je weiter sie vom Kern entfernt sind, desto höher ist die Energie. Die Elektronen in verschiedenen Schichten haben unterschiedliche Energien, und diese Energiewerte werden auch „Energieniveaus“ genannt.

Unter normalen Bedingungen neigen Elektronen außerhalb des Kerns immer dazu, sich in einer Form mit der niedrigsten Gesamtenergie anzuordnen. Wir bezeichnen solche Elektronen als „Grundzustand“. Wenn ein Atom im Grundzustand irgendeine Form von Energie (z. B. ein Photon) empfängt, wechselt es spontan auf ein Energieniveau mit einem höheren Energieniveau. Dies ist ein Energieniveauübergang, und das Elektron befindet sich nach dem Übergang in einem „angeregten Zustand“.

Leider sind angeregte Elektronen nicht stabil und neigen dazu, auf niedrigere Energieniveaus zu springen. Die überschüssige Energie der Elektronen wird in Form von Lichtenergie oder Wärmeenergie abgegeben.

Nein, die Energie wird einfach so vernichtet, aber wir bekommen trotzdem keinen Strom?

Mach dir keine Sorge. Um den durch den photoelektrischen Effekt erzeugten Strom zu leiten, müssen wir eine geeignete Gerätestruktur bauen , die wir oft als Solarzelle bezeichnen (siehe Abbildung 2).

Die Struktur des Geräts hat die Form eines Sandwichs, wobei die aktive Schicht mit photoelektrischem Effekt zwischen der Elektronentransportschicht und der Lochtransportschicht liegt (der lokale elektronenarme Teil, der nach dem Elektronenübergang entsteht, wird als Loch bezeichnet) und die beiden Enden bestehen aus Elektrodenmaterialien, im Allgemeinen Metall und Indiumzinnoxid (ITO).

Wenn ein Atom im Grundzustand irgendeine Form von Energie (z. B. Photonen) empfängt, wechselt es spontan auf ein Energieniveau mit einem höheren Energieniveau. Dies ist ein Energieniveauübergang, und das Elektron befindet sich nach dem Übergang in einem „angeregten Zustand“ . Da das Energieniveau des angeregten Zustands der Elektronentransportschicht etwas niedriger ist als das der aktiven Schicht, werden die angeregten Elektronen in der aktiven Schicht leicht auf die Elektronentransportschicht übertragen, anstatt in den Grundzustand der aktiven Schicht zurückzukehren. während der Grundzustand der Lochtransportschicht eine etwas höhere Energie hat als die Grundzustandselektronen in der aktiven Schicht und Elektronen dazu neigen, in den Grundzustand der aktiven Schicht überzugehen.

Dies ist, als würde man für Elektronen kleine Stufen einrichten, über die sie einfach „ihre Füße anheben“ können, ohne einen schwierigen Sprung (Übergang) machen zu müssen. Der gesamte Vorgang ist also leicht durchzuführen.

Durch das effektive Zusammenwirken der Elektronentransportschicht und der Lochtransportschicht bildet das gesamte Gerät einen vollständigen Schaltkreis, und die von der aktiven Schicht erzeugten Elektronen können exportiert und von uns verwendet werden.

Schematische Darstellung der Struktur gängiger Solarzellengeräte (Bildquelle: Qingdao Institute of Bioenergy and Process Technology, Carbon-based Energy Conversion Materials Research Group)

Nach dem Umwandlungsprozess gewinnen wir schließlich elektrische Energie direkt aus Sonnenenergie, und das ist das Prinzip der Solarzellen. Das Tempo der wissenschaftlichen Erforschung nimmt nie ab. Gerade aufgrund der großartigen Forschung und Entdeckungen dieser großartigen Wissenschaftler konnte das Problem der Energieknappheit wirksam gelindert werden und die Menschheit konnte sich auf dem Weg in eine Zukunft mit nachhaltiger Entwicklung befinden.