Energia bola vždy kľúčovým faktorom v transformácii a pokroku ľudskej spoločnosti. Tento význam sa stal obzvlášť zrejmým po dvoch priemyselných revolúciách, vďaka ktorým si ľudia čoraz viac uvedomovali kľúčovú úlohu rozvoja energetiky.
V dnešnej rýchlo sa rozvíjajúcej spoločnosti čelia tradičné zdroje energie, ako sú fosílne palivá (uhlie, ropa atď.), značným výzvam v dôsledku dlhých regeneračných cyklov, klesajúcich zásob a znižujúcej sa kvality. Tieto problémy čoraz viac sťažujú uspokojovanie rastúceho dopytu po energii a tlačia do popredia vývoj a využívanie nových zdrojov energie.
Čerpanie inšpirácie z fotosyntézy: Využitie slnečnej energie
Ako vieme, takmer všetka využiteľná energia na Zemi pochádza z fotosyntézy v rastlinách.
Fotosyntéza je biologický proces, pri ktorom rastliny syntetizujú cukry pomocou oxidu uhličitého a vody pod slnečným žiarením. Keďže tieto cukry počas metabolizmu uvoľňujú energiu, slnečná energia sa týmto spôsobom ukladá.
Táto energia však nie je ľahko využiteľná a zvyčajne si vyžaduje premenu na elektrinu, formu, ktorú bežne používame. Podľa fyziky premena energie vždy so sebou prináša určité straty. Preto sa priama premena slnečnej energie na elektrinu stala kritickou oblasťou výskumu.
Dá sa slnečná energia priamo premeniť na elektrinu? A aké faktory ovplyvňujú tento proces? To boli pre vedcov na začiatku 19. storočia hlboké otázky. Našťastie, koncom 19. storočia došlo k významnému prelomu.
Objav fotoelektrického javu
V roku 1887 renomovaný fyzik Heinrich Hertz – ktorého meno sa dnes používa ako jednotka frekvencie – náhodou zistil, že svetlo dopadajúce na určité povrchy materiálov môže zmeniť ich elektrické vlastnosti. Následný výskum odhalil, že tento jav bol spôsobený tokom elektrónov, neskôr nazývaným fotoelektrický jav.
V tom čase dominovala vedeckému mysleniu klasická fyzika, ktorú založil Newton. Predpokladala, že svetlo je vlna šíriaca sa médiom nazývaným éter (podobná vlnkám šíriacim sa po jazierku). Podľa tejto teórie závisela energia vlny od jej amplitúdy (intenzity svetla).
Toto vysvetlenie sa zdalo intuitívne. Napríklad slnečné svetlo v zime príjemne hreje, ale v intenzívnych letných horúčavách môže spôsobiť spálenie od slnka. Preto sa podľa klasickej fyziky predpokladalo, že fotoelektrický jav závisí od intenzity svetla. Experimenty však ukázali opak.
Výskum ukázal, že pre daný materiál určité farby svetla nedokážu vyvolať fotoelektrický efekt bez ohľadu na intenzitu, zatiaľ čo iné dokážu generovať elektrinu aj pri nízkej intenzite. Tieto zistenia protirečili klasickej fyzike, uvrhli ju do krízy a spustili vedeckú revolúciu.
Einstein odhaľuje záhadu
Uprostred tejto vedeckej búrky poskytol Albert Einstein prelomové vysvetlenie fotoelektrického javu.
Einstein predpokladal, že svetlo sa skladá z fotónov, z ktorých každý predstavuje samostatný energetický paket. Energia fotónu závisí od jeho frekvencie (počtu kmitov za sekundu), nie od jeho intenzity. Či teda materiál dokáže generovať elektróny, závisí výlučne od energie fotónu, nie od počtu fotónov.
Einsteinov revolučný pohľad mu vyniesol Nobelovu cenu za fyziku v roku 1921, pretože vyriešil kritický problém, ktorý klasická fyzika nedokázala vysvetliť.
Solárne články: Premena svetla na elektrinu
Objav fotoelektrického javu vydláždil cestu pre praktické aplikácie, ako sú solárne články.
Solárny článok pripomína sendvič so svetlocitlivou aktívnou vrstvou umiestnenou medzi vrstvou pre transport elektrónov a vrstvou pre transport dier. Dva konce štruktúry sú tvorené elektródovými materiálmi, často kovom a oxidom india a cínu (ITO).
Keď aktívna vrstva absorbuje fotóny, jej elektróny sú excitované na vyššie energetické hladiny. Tieto excitované elektróny sú prenesené do vrstvy transportu elektrónov, zatiaľ čo „diery“ (oblasti bez elektrónov) sú vedené vrstvou transportu dier. Toto usporiadanie vytvára obvod, ktorý umožňuje tok prúdu.
Použitím takejto štruktúry zariadenia je možné slnečnú energiu priamo premeniť na elektrinu, čo nám poskytuje efektívny a čistý zdroj energie.
Pocta vedeckému objavovaniu
Princíp solárnych článkov je príkladom toho, ako vedecký výskum výrazne zlepšil naše životy. Vďaka odhodlaniu nespočetných vedcov a ich prelomovým objavom ľudstvo naďalej využíva silu prírody pre lepšiu budúcnosť. Vzdajme hold ich mimoriadnemu prínosu!
