Taikymas

Pagrindinis lygis

Fotovoltinės konversijos proceso supratimą galima pagilinti atliekant praktines veiklas, kurios leidžia mokiniams stebėti tiek kvantinius, tiek elektrinius reiškinius, susijusius su saulės energijos surinkimu. Šios dalies tikslas – taikyti, vadovaujant, fotonų absorbcijos, krūvio atskyrimo ir srovės generavimo teorijoje išmoktus konceptus, susiejant puslaidininkių fiziką su realios energijos sistemomis.

Kai šviesa krenta ant puslaidininkio medžiagos, pakankamos energijos fotonai sužadina elektronus iš surištų būsenų į judančius krūvio nešiklius – kvantinis reiškinys, nematomas tiesiogiai, bet matuojamas elektriniais prietaisais. Mokiniai gali stebėti šį elgesį atlikdami paprastą eksperimentą: prijungti mažą saulės elementą prie multimetrio ir apšviesti skirtingais šviesos šaltiniais (saulės šviesa, LED lempa, žibintuvėlis). Didėjant šviesos intensyvumui, srovė proporcingai auga, o įtampa išlieka gana pastovi. Šis tiesioginis matavimas iliustruoja, kaip fotonų srautas virsta elektrine išvestimi.

Simuliacijos metu mokiniai gali stebėti energijos juostų diagramas, taikyti priemaišas, kad sukurtų N ir P tipo sritis, ir vizualizuoti, kaip P-N sandūra sukuria įmontuotą elektrinį lauką. Įvedus šviesą, mokiniai mato, kaip sandūros laukas sukuria ir atskiria elektronų-skylių poras, generuodamas srovės tekėjimą. Ši veikla padeda suprasti, kaip priemaišos ir sandūros fizika leidžia kryptingą krūvio transportą – fotovoltinės veikimo pagrindą.

Iš šių stebėjimų kyla esminiai klausimai: koks yra fotono energijos ir elektrono sužadinimo ryšys? Kodėl priemaišos sukuria vidinį elektrinį lauką be išorinės įtampos? Simuliuoto puslaidininkio palyginimas su realia saulės elemento struktūra paaiškina, kaip medžiagų inžinerija atominiame lygmenyje lemia makroskopinį elektrinį našumą. 

Toliau dėmesys nukreipiamas į sluoksninę saulės elementų architektūrą. Mokiniai analizuoja funkcinių sluoksnių išsidėstymą – antirefleksinę dangą, N tipo emiterį, P-N sandūrą, P tipo pagrindą, metalinius kontaktus – ir jų papildomas funkcijas:

• Antirefleksinė danga maksimaliai padidina fotonų patekimą, sumažindama paviršiaus atspindį
• Plonas N sluoksnis surenka elektronus, generuojamus arti paviršiaus
• P-N sandūra sukuria elektrinį lauką, kuris atskiria krūvio nešiklius
• Storas P sluoksnis sugeria ilgesnio bangos ilgio fotonus giliau medžiagoje
• Metaliniai kontaktai surenka ir perduoda srovę išoriniams grandynams

Diskusija klasėje tęsiasi analizuojant elemento elgesį esant skirtingoms apšvietimo sąlygoms. Kodėl srovės išvestis dramatiškai keičiasi šešėliuojant, o įtampa išlieka gana stabili? Atsakymas slypi tiesioginiame fotonų srauto ir krūvio nešiklių generavimo proporcingume. Ši kolektyvinė refleksija padeda suprasti, kaip saulės sistemų projektavimas turi atsižvelgti į dalinį šešėliavimą, orientaciją ir paros laiko pokyčius. 

Tuomet mokiniai kviečiami palyginti saulės elementus su kasdieniais energijos prietaisais:

• Saulės kalkuliatoriai: mažos galios taikymas, kai nedideli elementai suteikia pakankamai energijos

Pažengęs lygis

Pažengęs lygis gilina ryšį tarp fotonų absorbcijos ir elektros srovės tekėjimo per išorines grandines. Mokiniai stebi, kaip šviesos energija paverčiama atskirtais krūviais P-N sandūroje ir kaip šie krūvio nešėjai sklinda per puslaidininkį ir metalinius kontaktus, kad perduotų galią.

Norint suprasti įvykių seką, pristatoma juostų lenkimo sąvoka P-N sandūroje: kai N tipo ir P tipo sritys susiliečia, elektronai difuzuoja iš N į P, o skylės – iš P į N, kol pasiekiama pusiausvyra. Taip susidaro išsekimo sritis, kurioje nėra judrių nešėjų, su fiksuotais teigiamais krūviais N pusėje ir fiksuotais neigiamais krūviais P pusėje. Susidaręs elektrinis laukas (~10⁵ V/cm) yra pakankamai stiprus, kad atskirtų foto-generuotus elektronų-skylės poras prieš joms rekombinuojant.

Krūvio nešėjų judėjimas ir elektros srovės generavimas iliustruojamas Papildytos realybės simuliacija, sukurta naudojant Delightex Studio – Spaces (Marker):
https://edu.delightex.com/Studio/Spaces

Naudodami mobiliuosius įrenginius, mokiniai tyrinėja trimatį saulės elemento modelį:

1. Stebėti fotonus, smingančius į paviršių ir prasiskverbiančius į puslaidininkį
2. Vizualizuoti elektronų-skylės porų generaciją, kai fotono energija viršija juostų tarpą
3. Sekti elektronus, kuriuos sandūros laukas nukreipia į N sluoksnį, o skyles – į P sluoksnį
4. Matyti elektronų tekėjimą per išorinę grandinę (laidą, apkrovą, grįžimo kelią)
5. Sekti visą srovės ciklą nuo generacijos iki apkrovos ir atgal

Veiklos metu siūlomi vedantys klausimai:
– Kurioje elemento vietoje šviesa virsta atskirtais elektros krūviais?
P-N sandūroje, kur įgimtas elektrinis laukas atskiria foto-generuotus elektronus ir skyles prieš joms rekombinuojant.

– Kodėl srovė teka per išorinę grandinę, kai elementas apšviestas?
Nes sandūra nuolat generuoja įtampos skirtumą (fotoįtampą) tarp N ir P pusių, verčiantį elektronus tekėti per grandinę, kad sumažintų potencialų skirtumą.

– Kaip saulės elementas gamina energiją nevartodamas kuro ar judančių dalių?
Tiesiogiai konvertuodamas fotonų energiją į krūvio atskyrimą per kvantinę absorbciją, o tada išgaud

Veiklos

Baigiamosios veiklos skirtos įtvirtinti žinias ir skatinti bendradarbiavimą tarp bendraamžių.