Zawartość
- Wpływ długości fali energii słonecznej na energię elektronów
- Funkcja pracy i przerwa w zespole
- Minimalna i maksymalna długość fali
- Długość fali energii słonecznej i wydajność ogniwa
Ogniwa słoneczne zależą od zjawiska znanego jako efekt fotowoltaiczny, odkrytego przez francuskiego fizyka Alexandre Edmonda Becquerela (1820–1891). Jest to związane z efektem fotoelektrycznym, zjawiskiem, w którym elektrony są wyrzucane z materiału przewodzącego, gdy świeci na nie światło. Albert Einstein (1879–1955) zdobył Nagrodę Nobla z 1921 roku w dziedzinie fizyki za wyjaśnienie tego zjawiska, stosując nowe zasady kwantowe w tym czasie. W przeciwieństwie do efektu fotoelektrycznego, efekt fotowoltaiczny zachodzi na granicy dwóch półprzewodnikowych płyt, a nie na jednej płytce przewodzącej. Żadne elektrony nie są faktycznie wyrzucane, gdy świeci światło. Zamiast tego gromadzą się wzdłuż granicy, aby wytworzyć napięcie. Po połączeniu dwóch płyt przewodem przewodzącym w przewodzie płynie prąd.
Wielkim osiągnięciem Einsteina i powodem, dla którego zdobył nagrodę Nobla, było uznanie, że energia elektronów wyrzuconych z płyty fotoelektrycznej zależała - nie od natężenia światła (amplitudy), jak przewidywała teoria fal - ale od częstotliwości, która jest odwrotność długości fali. Im krótsza długość fali padającego światła, tym wyższa częstotliwość światła i więcej energii posiadanej przez wyrzucane elektrony. W ten sam sposób ogniwa fotowoltaiczne są wrażliwe na długość fali i lepiej reagują na światło słoneczne w niektórych częściach widma niż w innych. Aby zrozumieć, dlaczego warto przejrzeć wyjaśnienie Einsteinsa dotyczące efektu fotoelektrycznego.
Wpływ długości fali energii słonecznej na energię elektronów
Wyjaśnienie Einsteina dotyczące efektu fotoelektrycznego pomogło ustalić model kwantowy światła. Każdy wiązka światła, zwana fotonem, ma charakterystyczną energię określoną przez częstotliwość wibracji. Energia (E) fotonu jest dana przez prawo Plancka: E = hf, gdzie f jest częstotliwością, a h jest stałą Plancka (6,626 × 10−34 dżul ∙ sekundy). Pomimo faktu, że foton ma charakter cząsteczkowy, ma on również charakterystykę falową, a dla każdej fali jego częstotliwość jest odwrotnością długości fali (która jest tutaj oznaczona przez w). Jeśli prędkość światła wynosi c, to f = c / w, a prawo Plancka można zapisać:
E = hc / w
Kiedy fotony padają na materiał przewodzący, zderzają się z elektronami w poszczególnych atomach. Jeśli fotony mają wystarczającą energię, wybijają elektrony w najbardziej zewnętrznych powłokach. Te elektrony mogą następnie swobodnie krążyć w materiale. W zależności od energii padających fotonów mogą one zostać całkowicie wyrzucone z materiału.
Zgodnie z prawem Plancka energia fotonów padających jest odwrotnie proporcjonalna do ich długości fali. Promieniowanie krótkofalowe zajmuje fioletowy koniec widma i obejmuje promieniowanie ultrafioletowe i promieniowanie gamma. Z drugiej strony promieniowanie długofalowe zajmuje czerwony koniec i obejmuje promieniowanie podczerwone, mikrofale i fale radiowe.
Światło słoneczne zawiera całe spektrum promieniowania, ale tylko światło o wystarczająco krótkiej długości fali wytworzy efekty fotoelektryczne lub fotowoltaiczne. Oznacza to, że część widma słonecznego jest przydatna do wytwarzania energii elektrycznej. Nie ma znaczenia, jak jasne lub słabe jest światło. Musi mieć - przynajmniej - długość fali ogniwa słonecznego. Wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe może przenikać przez chmury, co oznacza, że ogniwa słoneczne powinny działać w pochmurne dni - i robią to.
Funkcja pracy i przerwa w zespole
Foton musi mieć minimalną wartość energetyczną, aby wzbudzić elektrony na tyle, aby wytrącić je z orbitali i pozwolić im swobodnie się poruszać. W materiale przewodzącym ta minimalna energia nazywana jest funkcją pracy i jest różna dla każdego przewodzącego materiału. Energia kinetyczna elektronu uwolnionego przez zderzenie z fotonem jest równa energii fotonu minus funkcja pracy.
W ogniwie fotowoltaicznym łączone są dwa różne materiały półprzewodnikowe, aby stworzyć to, co fizycy nazywają złączem PN. W praktyce powszechne jest stosowanie jednego materiału, takiego jak krzem, i domieszanie go różnymi chemikaliami w celu utworzenia tego połączenia. Na przykład domieszkowanie krzemu antymonem tworzy półprzewodnik typu N, a domieszkowanie borem tworzy półprzewodnik typu P. Wyrzucone z orbit elektrony zbierają się w pobliżu złącza PN i zwiększają napięcie na nim. Energia progowa do wybicia elektronu z jego orbity i do pasma przewodzenia jest znana jako przerwa pasmowa. Jest podobny do funkcji pracy.
Minimalna i maksymalna długość fali
Aby powstało napięcie na złączu PN ogniwa słonecznego. promieniowanie padające musi przekraczać energię przerwy pasmowej. Różni się to w przypadku różnych materiałów. Jest to 1,11 wolta elektronowego dla krzemu, który jest materiałem najczęściej używanym do ogniw słonecznych. Jeden elektron wolt = 1,6 × 10-19 dżuli, więc energia pasma wzbronionego wynosi 1,78 × 10-19 dżule. Zmiana układu równania desek i rozwiązywanie dla długości fali mówi o długości fali światła, która odpowiada tej energii:
w = hc / E = 1110 nanometrów (1,11 × 10-6 metry)
Długości fali światła widzialnego występują między 400 a 700 nm, więc szerokość fali dla krzemowych ogniw słonecznych znajduje się w bardzo bliskim zakresie podczerwieni. Wszelkie promieniowanie o większej długości fali, takie jak mikrofale i fale radiowe, nie ma energii do wytworzenia elektryczności z ogniwa słonecznego.
Każdy foton o energii większej niż 1,11 eV może wyprzeć elektron z atomu krzemu i wprowadzić go do pasma przewodzenia. W praktyce jednak fotony o bardzo małej długości fali (o energii większej niż około 3 eV) usuwają elektrony z pasma przewodzenia i uniemożliwiają im pracę. Górny próg długości fali, aby uzyskać użyteczną pracę z efektu fotoelektrycznego w panelach słonecznych, zależy od struktury ogniwa słonecznego, materiałów użytych do jego budowy i charakterystyki obwodu.
Długość fali energii słonecznej i wydajność ogniwa
Krótko mówiąc, ogniwa PV są wrażliwe na światło z całego spektrum, o ile długość fali znajduje się powyżej pasma wzbronionego materiału użytego do ogniwa, ale marnowane jest światło o bardzo małej długości fali. Jest to jeden z czynników wpływających na wydajność ogniw słonecznych. Kolejną jest grubość materiału półprzewodnikowego. Jeśli fotony muszą przebyć długą drogę przez materiał, tracą energię w wyniku zderzeń z innymi cząsteczkami i mogą nie mieć wystarczającej energii do wyparcia elektronu.
Trzecim czynnikiem wpływającym na wydajność jest współczynnik odbicia ogniwa słonecznego. Pewna część padającego światła odbija się od powierzchni komórki bez napotkania elektronu. Aby zmniejszyć straty wynikające z odbicia i zwiększyć wydajność, producenci ogniw słonecznych zwykle pokrywają ogniwa nierefleksyjnym materiałem pochłaniającym światło. Właśnie dlatego ogniwa słoneczne są zwykle czarne.