Energia on alati olnud inimühiskonna muutuste ja progressi keskmes. See tähtsus sai eriti ilmseks pärast kahte tööstusrevolutsiooni, mis pani inimesi üha enam teadvustama energiaarenduse kriitilist rolli.
Tänapäeva kiiresti arenevas ühiskonnas seisavad traditsioonilised energiaallikad, nagu fossiilkütused (kivisüsi, nafta jne), silmitsi oluliste väljakutsetega pikkade regenereerimistsüklite, vähenevate varude ja kvaliteedi languse tõttu. Need probleemid muudavad kasvava energianõudluse rahuldamise üha raskemaks, mis surub uute energiaallikate arendamise ja kasutamise esiplaanile.
Inspiratsiooni ammutamine fotosünteesist: päikeseenergia rakendamine
Nagu me teame, pärineb peaaegu kogu Maal kasutatav energia taimede fotosünteesist.
Fotosüntees on bioloogiline protsess, mille käigus taimed sünteesivad päikesevalguse käes süsinikdioksiidi ja vee abil suhkruid. Kuna need suhkrud vabastavad ainevahetuse käigus energiat, salvestub päikeseenergia sel viisil.
See energia pole aga kergesti kasutatav ja vajab tavaliselt muundamist elektriks, vormiks, mida me tavaliselt kasutame. Füüsika kohaselt kaasneb energia muundamisega alati teatav kadu. Seetõttu on päikeseenergia otsene elektriks muundamine muutunud kriitilise tähtsusega uurimisvaldkonnaks.
Kas päikeseenergiat saab otse elektriks muuta? Ja millised tegurid seda protsessi mõjutavad? Need olid 19. sajandi alguse teadlaste jaoks sügavad küsimused. Õnneks toimus 19. sajandi lõpus suur läbimurre.
Fotoelektrilise efekti avastamine
1887. aastal avastas tuntud füüsik Heinrich Hertz – kelle nime nüüd kasutatakse sageduse ühikuna – kogemata, et teatud materjalide pindadele langev valgus võib muuta nende elektrilisi omadusi. Hilisemad uuringud näitasid, et selle nähtuse põhjustas elektronide voog, mida hiljem nimetati fotoelektriliseks efektiks.
Sel ajal domineeris teaduslikus mõtlemises Newtoni rajatud klassikaline füüsika. See oletas, et valgus on laine, mis liigub läbi keskkonna, mida nimetatakse eetriks (sarnane tiigi kohal levivate lainetustega). Selle teooria kohaselt sõltus laine energia selle amplituudist (valguse intensiivsusest).
See seletus tundus intuitiivne. Näiteks talvel tundub päikesevalgus meeldivalt soe, kuid suvel võib see kuumuses põhjustada päikesepõletust. Seetõttu arvati klassikalise füüsika kohaselt, et fotoelektriline efekt sõltub valguse intensiivsusest. Katsed aga näitasid vastupidist.
Uuringud näitasid, et antud materjali puhul ei saa teatud valguse värvid esile kutsuda fotoelektrilist efekti olenemata intensiivsusest, samas kui teised võivad tekitada elektrit isegi madala intensiivsusega. Need leiud on vastuolus klassikalise füüsikaga, paisates selle kriisi ja süüdates teadusrevolutsiooni.
Einstein paljastab saladuse
Selle teadusliku tormi keskel pakkus Albert Einstein murrangulise seletuse fotoelektrilisele efektile.
Einstein oletas, et valgus koosneb footonitest, millest igaüks esindab diskreetset energiapaketti. Footoni energia sõltub selle sagedusest (võnkumiste arvust sekundis), mitte intensiivsusest. Seega sõltub see, kas materjal suudab elektrone genereerida, täielikult footoni energiast, mitte footonite arvust.
Einsteini revolutsiooniline taipamine teenis talle 1921. aasta Nobeli füüsikapreemia, kuna see lahendas olulise küsimuse, mida klassikaline füüsika ei suutnud seletada.
Päikesepatareid: valguse muutmine elektriks
Fotoelektrilise efekti avastamine sillutas teed praktilistele rakendustele, näiteks päikesepatareidele.
Päikesepatarei meenutab võileiba, mille elektronide transpordikihi ja augu transpordikihi vahel on valgustundlik aktiivkiht. Struktuuri kaks otsa on elektroodimaterjalid, sageli metall ja indiumtinaoksiid (ITO).
Kui aktiivne kiht neelab footoneid, ergastuvavad selle elektronid kõrgematele energiatasemetele. Need ergastatud elektronid kantakse elektronide transpordikihti, samal ajal kui "augud" (elektronideta piirkonnad) juhitakse augu transpordikihi poolt. See paigutus loob vooluringi, mis võimaldab voolu voolamist.
Sellise seadmestruktuuri abil saab päikeseenergia otse elektriks muuta, mis annab meile tõhusa ja puhta energiaallika.
Austusavaldus teaduslikule uurimistööle
Päikesepatareide põhimõte on hea näide sellest, kuidas teaduslikud uuringud on meie elu sügavalt parandanud. Tänu lugematute teadlaste pühendumusele ja nende murrangulistele avastustele rakendab inimkond jätkuvalt looduse jõudu helgema tuleviku nimel. Avaldagem austust nende erakordse panuse eest!
