Energija visada buvo esminis veiksnys, lemiantis žmonių visuomenės transformaciją ir pažangą. Ši svarba ypač išryškėjo po dviejų pramonės revoliucijų, todėl žmonės vis labiau suvokė energetikos plėtros svarbą.
Šiandieninėje sparčiai besivystančioje visuomenėje tradiciniai energijos šaltiniai, tokie kaip iškastinis kuras (anglis, nafta ir kt.), susiduria su dideliais iššūkiais dėl ilgų regeneracijos ciklų, mažėjančių atsargų ir prastėjančios kokybės. Dėl šių problemų vis sunkiau patenkinti augančią energijos paklausą, todėl naujų energijos šaltinių kūrimas ir naudojimas tampa prioritetu.
Įkvėpimo semiamasi iš fotosintezės: saulės energijos panaudojimas
Kaip žinome, beveik visa Žemėje naudojama energija gaunama fotosintezės būdu augaluose.
Fotosintezė yra biologinis procesas, kurio metu augalai saulės šviesoje sintetina cukrų, naudodami anglies dioksidą ir vandenį. Kadangi šie cukrūs metabolizmo metu išskiria energiją, saulės energija yra kaupiama tokiu būdu.
Tačiau ši energija nėra lengvai panaudojama ir paprastai ją reikia paversti elektra – forma, kurią mes dažniausiai naudojame. Remiantis fizikos dėsniais, energijos konversija visada sukelia tam tikrus nuostolius. Todėl tiesioginis saulės energijos pavertimas elektra tapo svarbia tyrimų sritimi.
Ar saulės energiją galima tiesiogiai paversti elektra? Ir kokie veiksniai daro įtaką šiam procesui? Tai buvo svarbūs klausimai XIX amžiaus pradžios mokslininkams. Laimei, XIX amžiaus pabaigoje įvyko didelis proveržis.
Fotoelektrinio efekto atradimas
1887 m. garsus fizikas Heinrichas Hertzas, kurio vardas dabar naudojamas kaip dažnio vienetas, atsitiktinai atrado, kad šviesa, krintanti į tam tikrus medžiagų paviršius, gali pakeisti jų elektrines savybes. Vėlesni tyrimai atskleidė, kad šį reiškinį sukėlė elektronų srautas, vėliau pavadintas fotoelektriniu efektu.
Tuo metu mokslinėje mintyje dominavo Niutono įkurta klasikinė fizika. Ji teigė, kad šviesa yra banga, sklindanti per terpę, vadinamą eteriu (panaši į raibulius, sklindančius per tvenkinį). Pagal šią teoriją bangos energija priklausė nuo jos amplitudės (šviesos intensyvumo).
Šis paaiškinimas atrodė intuityvus. Pavyzdžiui, žiemą saulės šviesa maloniai šilta, tačiau vasarą per karštą dieną gali nudeginti saulėje. Todėl pagal klasikinę fiziką buvo manoma, kad fotoelektrinis efektas priklauso nuo šviesos intensyvumo. Tačiau eksperimentai parodė ką kita.
Tyrimai parodė, kad tam tikros medžiagos šviesos spalvos negali sukelti fotoelektrinio efekto, nepaisant intensyvumo, o kitos gali generuoti elektrą net ir esant mažam intensyvumui. Šie rezultatai prieštaravo klasikinei fizikai, įstūmė ją į krizę ir sukėlė mokslinę revoliuciją.
Einšteinas atskleidžia paslaptį
Šios mokslinės audros metu Albertas Einšteinas pateikė novatorišką fotoelektrinio efekto paaiškinimą.
Einšteinas teigė, kad šviesa susideda iš fotonų, kurių kiekvienas atspindi atskirą energijos paketą. Fotono energija priklauso nuo jo dažnio (virpesių skaičiaus per sekundę), o ne nuo intensyvumo. Taigi, ar medžiaga gali generuoti elektronus, visiškai priklauso nuo fotono energijos, o ne nuo fotonų skaičiaus.
Revoliucinė Einšteino įžvalga pelnė jam 1921 m. Nobelio fizikos premiją, nes išsprendė kritinį klausimą, kurio klasikinė fizika nepaaiškino.
Saulės elementai: šviesos pavertimas elektra
Fotoelektrinio efekto atradimas atvėrė kelią praktiniam pritaikymui, pavyzdžiui, saulės elementų kūrimui.
Saulės elementas primena sumuštinį, kuriame šviesai jautrus aktyvus sluoksnis yra tarp elektronų pernašos sluoksnio ir skylių pernašos sluoksnio. Du konstrukcijos galai yra pagaminti iš elektrodų medžiagų, dažnai metalo ir indžio alavo oksido (ITO).
Kai aktyvusis sluoksnis sugeria fotonus, jo elektronai sužadinami iki aukštesnių energijos lygmenų. Šie sužadinti elektronai pernešami į elektronų pernašos sluoksnį, o „skylės“ (sritys, kuriose trūksta elektronų) yra pralaidžios skylių pernašos sluoksniui. Toks išdėstymas sukuria grandinę, leidžiančią tekėti srovei.
Naudojant tokią įrenginio struktūrą, saulės energija gali būti tiesiogiai paversta elektra, todėl gauname efektyvų ir švarų energijos šaltinį.
Duoklė moksliniams tyrinėjimams
Saulės elementų principas puikiai iliustruoja, kaip moksliniai tyrinėjimai iš esmės pagerino mūsų gyvenimą. Nesuskaičiuojamų mokslininkų atsidavimo ir jų novatoriškų atradimų dėka žmonija ir toliau naudoja gamtos galią šviesesnei ateičiai. Pagerbkime jų nepaprastą indėlį!
