Muqobil energiya manbalari

6-Laboratoriya mashg‘uloti. Quyosh fotoelektrik Modulining volt-amper va volt-vatt xarakteristikalarini o‘rganish.
Shubhasiz, har turdagi energiyalar orasida elektr energiya foydalanish uchun eng qulay energiya hisoblanadi. Bu energiyaning asosiy qismi yer sharida u yoki bu turdagi motorlari yordamida harakatga keluvchi elektromagnit generatorlarda ishlab chiqariladi. Endi esa biz elektr energiyani quyosh nurlanishi ta’sirida olishni va uning samarali ishlashini oshirish yo‘llarini ko‘rib o‘tamiz.
Ma’lumki, yarim o‘tkazgich materialda elektronlar energetik zonaning yangi ruxsat etilgan sathlarini egallashlari tufayli tok hosil bo‘lishi uchun ular qo‘shimcha energiya olishlari kerak. To‘ldirilgan yoki valent zonadagi elektronlar yetarli energiyani olmagunlaricha ta’qiqlangan zona orqali o‘tkazuvchanlik zonasiga siljiy olmaydilar. Ta’qiqlangan zonaga o‘tishlari uchun kremniy yoki germaniy kabi tabiiy yarim o‘tkazgich elektronlari 1 eV energiyani olishlari kerak bo‘ladi. Bunday energiyaga yorug‘lik fotonlari ega. Yarim o‘tkazgichli foto elektrik generatorlar (quyosh batareyalari) ning ishlash jarayoni quyidagicha bo‘ladi: quyosh radiatsiyasi fotonlarini yutib elektronlar qo‘shimcha energiyaga ega bo‘ladilar va o‘tkazuvchanlik zonasiga siljiy boshlaydilar. Har bir elektronning energiyasi ta’qiqlangan zona kengligi qiymatiga mos ravishda ortadi. Odatda elektron bu holatda juda oz vaqt oralig‘ida bo‘ladi. Keyin u ion bilan rekombinatsiyalanadi, bundan ajralib chiqqan energiya esa kristall panjara tebranishini kuchaytiradi yoki qayta nurlanib ketadi. Ma’lumki, panjara ionlari tebranishining kuchayishi qattiq jismlarda haroratning ortishiga olib keladi. Biz uchun aynan shundan holi bo‘-lish zarur. Foto elektrik generatorda yorug‘lik tasirida qo‘zg‘atilgan elektronlar yarim o‘tkazgichli material orqali o‘tadi va ortiqcha energiyalarini boshqa o‘zaro ta’sirlarga sarf qilmay turib, foydali yuklanishga berib ulguradi. Quyosh energiyasini issiqlikka aylanishining oldini olib, biz ma’lum termodinamik cheklashlardan holi bo‘lishga umid qilamiz, lekin tabiat bizni oldimizga yanada yangi ziddiyatlarni ko‘ndalang qo‘yadi. Foton energiyasi chastota bilan quyidagicha bog‘langan:

Quyosh nurlanishi to‘lqin uzunliklari 1 mkm atrofidagi sohada ekanligini e’tiborga olib, bu munosabatni biz yanada soddaroq ko‘rinishga keltirishimiz mumkin:

Energiya elektron Volt (eV) da, to‘lqin uzunligi esa mkm larda o‘lchanadi.
Ifodalardan ko‘rinadiki, to‘lqin uzunligi ortishi bilan quyosh radiatsiyasi fotonlarining energiyasi o‘zgaradi (kamayadi). Haqiqatdan ham fotonlar energiyasi yetarli bo‘lmaganda, ular qo‘zg‘atadigan elektronlar ta’qiqlangan zona orqali hatlab o‘tadigan bunday to‘lqin uzunligi mavjud. Masalan, xona haroratida kremniyning ta’qiqlangan zona kengligi taxminan 1,1 eV ga teng bo‘lsa, unga taxminan 1,1 mkm to‘lqin uzunlikdagi foton energiyasi mos keladi. Yer sirti dengiz sathiga tushayotgan quyosh radiatsiyasining taxminan 20% i uzun to‘lqinli qismga mos keladi. Shu tarzda ular kremniy asosli qurilmalarning harakat sferasidan tushib qoladi. Radiatsiyaning qisqa to‘lqinli qismidan ham to‘la foydalanib bo‘lmaydi. Elektronlar faqat ruxsat etilgan sathlarga siljisada, qo‘zg‘algan holatining energiyasi ta’qiqlangan zona kengligiga yaqin bo‘lgan elektronlargina ko‘proq saqlab turadi. Yuqori energiyali fotonlar bilan materialni nurlantirilganda elektronlarning ortiqcha energiyasi tezda panjara tebranishlarini kuchaytirish uchun, ya’ni uning ichki enrgiyasini orttirishga sarf bo‘ladi. Shunday qilib, kremniyni 0,6 mkm to‘lqinuzunlikdagi fotonlar (unga mos ravishda taxminan 2,0 eV energiya) bilan nurlantirilganda elektronlar faqat 1,1 eV energiyani «qabul qilishi mumkin», qolgan energiya esa materialning haroratini orttirish uchun befoyda sarf bo‘lib ketadi.



6.1 rasm.Quyosh nurlanish energiyasining spektral taqsimlanishi