Strøm fra lys

Efterhånden er det ret udbredt at lave strøm direkte ved lysets hjælp, fotoelektricitet. Fra lommeregnere kender alle det, men flere og flere steder sættes solcellepaneler op på tage, langs veje som støjafskærmning, på vandpumper osv.

Man må sige, at det næsten også er en ideel strømkilde, der blot bruger sollys som energiforsyning, og hvor der ingen bevægelige dele er i.

Der er kun to væsentlige ulemper ved solcellepaneler: Der skal stærkt lys, helst solskin, til for at de giver nok strøm, og så er de stadig i 1998 ikke helt billige i forhold til det, de kan producere (6 kr. pr. kWh - mod elværkets 1 kr. pr. kWh!).

For at forstå, hvordan solceller fungerer, er vi nødt til at vide, hvad lys er.

Hvad er lys?

For at kunne forklare de mange virkninger, lys har, må man bruge to forskellige modeller for lys:

bulletBølgemodellen
bulletPartikelmodellen

I nogle sammenhænge er den ene model bedst, i andre den anden. Man kan ikke sige, at én af dem er mere rigtig end den anden.

Når vi vil forsøge at forstå/forklare, hvordan man kan producere elektricitet ved hjælp af lys, dur kun partikelmodellen.

Partikelmodellen

Lys består af lyspartikler (fotoner). Til beregninger og iagttagelser kan man bruge de teorier og formler, man bruger i forbindelse med beskrivelse af, hvordan alle andre partikler opfører sig.

De to modeller gælder ikke blot for synligt lys, men også for alle usynlige typer af elektromagnetisk stråling (gammastråler, mikrobølger, røntgenstråler, UV-lys, IR-lys.........).

Jo mere kortbølget (se, nu blander vi straks bølgemodellen ind i det!) stråling, desto mere energirige er fotonerne. Det betyder, at en foton i IR-lys har langt mindre energi end en foton i UV-lys, eller sagt på godt dansk: Der er mere slag i fotoner fra UV-lys end i dem fra IR-lys.

Elektroner slås løs

Det har vist sig, at når man skyder på et stof med fotoner (lyser på det), så kan det i nogle tilfælde blive elektrisk der, hvor man rammer. Det skyldes, at elektroner slås ud af deres bane omkring atomkernen.

Energirig foton slår elektron ud af atom. Atomet inoniseres.

Jo mere slag, der er i fotonerne, desto mere sandsynligt er det, at en elektron slås løs.

F.eks. vil en rød lysstråle, om den så er nok så koncentreret (fx laserlys), ikke slå elektroner ud af atomer, når den går gennem luften. Det vil en røntgenstråle derimod. Resultatet bliver en ionisering af luften, luften "bliver elektrisk".

Alle stoffer - dvs. alle slags molekyler/atomer - kan få slået elektroner løs, men forskellige molekyler/atomer kræver fotoner med forskellig energi, en vis mindste energi skal der til for det enkelte stof. Man kan også sige, at der kræves forskellig slags lys (forskellige bølgelængder / fotoner med forskellig energi) til at løsrive elektroner fra de forskellige stoffer.

Når vi blander molekyler ind i det og ikke blot snakker om atomer, er det fordi kombinationer af forskellige atomer (= molekyler) har fælles elektronskyer, hvor elektronerne i forskellige kombinationer ikke er bundet lige stærkt. Dermed skal de heller ikke bombarderes lige kraftigt for at slå en elektron løs.

Den kemiske forbindelse CdS (cadmiumsulfid) er et strålende eksempel på et materiale, hvor synligt lys kan slå elektroner løs.

Det udnyttes i fotomodstanden (LDR-modstanden, Light Dependent Resistor, "bamseøje")

Fotomodstanden

En strømleders modstand afhænger af, hvor mange løse elektroner, der futter rundt i materialet: Mange elektroner betyder lille modstand.

Hvis vi kan få flere løse elektroner ved at lyse på materialet, må modstanden også blive mindre!

I mørke er bamseøjets modstand over en million ohm og i stærkt lys omkring hundrede ohm!

LDR-modstand lavet af cadmiumsulfid

Solcellen

I solcellen benytter man sig af samme trick som i dioder og transistorer:

Halvlederkrystallet silicium (Si) smeltes sammen med lidt af stoffet bor (B), og man får et krystal, hvor der er for få elektroner til, at det passer i krystalstrukturen. Hvor der mangler elektroner, bliver der et "positivt hul".

Et Si-krystal, der er "forurenet" med B kaldes et p-krystal (p for positiv).

Smelter man silicium sammen med lidt fosfor, sker det modsatte: Der bliver for mange elektroner til, at de passer i krystalstrukturen, og vi får et n-krystal (n for negativ). Det betyder, at der farer elektroner frit rundt ligesom i metaller. Der er bare en vigtig forskel: Når man lyser på krystallet slås flere elektroner løs. Det sker ikke i metaller.

p-krystallet med de "tomme pladser" ("huller") i krystalstrukturen
og n-krystallet med løse elektroner, der ikke har plads i krystalstrukturen

I begge tilfælde er det enkelte krystal elektrisk neutralt (der er lige mange protroner og elektroner i krystallet totalt set), men i krystalstrukturen er der en slags ubalance, som vi kan få glæde af.

Når vi prøver at sende strøm gennem et n-krystal, foregår elektronvandringen som i et metal.

Hvad foregår så i et p-krystal, når det leder strøm:

Elektroner, der "pumpes" fra minus-ledningen, springer fra hul til hul i krystallet. Er der huller nok, kan der gå stor strøm - krystallet leder godt.

Både p- og n-krystaller er rimeligt gode ledere

I begge tilfælde går strømmen fint igennem: Begge er gode ledere i lighed med metaller.

Nu smelter vi et p-krystal sammen med et n-krystal.

Inden i krystallet sker et kort øjeblik en vis vandring af elektroner ( = elektrisk strøm), en indvendig forskydning af den elektriske balance (fig.6).

   

I grænselaget mellem n- og p-krystallerne vandrer nogle elektroner over i nogle "tomme huller". Men så bliver der underskud af e- i n-krystallet (det bliver positivt ladet) og overskud af e- i p-laget. Derfor skabes der snart en balance: Der går ingen strøm i det ydre kredsløb (fig.6).

Elektronforskydning i grænselaget mellem p- og n-krystaller

Gang i foretagendet

Lyser vi så på n-krystallet med lys af passende bølgelængde, frigøres elektroner i n-krystallet, og man kan sige, at lyset skaber en konstant ubalance i hele p-n-krystallet med en elektrisk strøm til følge: Vi har solcellen (fig.7)!

Vandring af e- fra n-lag til p-lag kan nu fortsætte, så længe vi lyser på n-laget.

Det er altså n-laget, der udgør overfladen på en solcelle. Mange solceller udgør tilsammen et solcellepanel.

Lyset river elektroner løs i n-krystallet, og de strømmer
over i p-krystallet og videre i kredsløbet

Ved hjælp af elektronik kan el fra solcellepaneler omformes til den type, man har mest brug for, fx til 230V~

Ideer til videre undersøgelser og projekter

Med et multimeter kan du måle modstanden i en LDR-modstand ved forskellig belysning (lysstyrke, lysfarve....). Har du også en lysmåler, kan du lave måleserier af sammenhængen mellem lysstyrke og modstand og evt. stille det op i et regneark.

Mål med et multimeter den elektromotoriske kraft (spændingsforskellen, når der kun er tilsluttet et højohms multimeter) på et solcellepanel fra en kasseret lommeregner. Prøv under forskellige lysforhold.

Lav eksperimenter med store solcellers energiproduktion ved forskellig belysning.

Hvis du kender nogen, der har opstillet solcellepaneler, kan du måske få noget at vide om opbygning, priser og produktion.

I et større projekt kunne I opstille et rigtigt solcellepanel ved skolen og lave målinger på det.

I kunne også konstruere omformere, der laver solcellernes jævnspænding om til vekselspænding.