تأثير الطول الموجي على الخلايا الكهروضوئية

تعتمد الخلايا الشمسية على ظاهرة تُعرف باسم التأثير الكهروضوئي ، اكتشفها الفيزيائي الفرنسي ألكسندر إدموند بيكريل (1820-1891). يتعلق الأمر بالتأثير الكهروضوئي ، وهي ظاهرة يتم من خلالها إخراج الإلكترونات من مادة موصلة عندما يضيء عليها الضوء. فاز ألبرت أينشتاين (1879-1955) بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1921 لتفسيره لهذه الظاهرة ، باستخدام مبادئ الكم التي كانت جديدة في ذلك الوقت. على عكس التأثير الكهروضوئي ، يحدث التأثير الكهروضوئي عند حدود لوحين شبه موصلين ، وليس على لوحة موصلة واحدة. في الواقع لا يتم إخراج أي إلكترونات عندما يضيء الضوء. وبدلاً من ذلك ، فإنها تتراكم على طول الحدود لتكوين جهد كهربائي. عند توصيل الصفيحتين بسلك موصل ، سيتدفق تيار في السلك.

كان الإنجاز العظيم لأينشتاين ، والسبب في فوزه بجائزة نوبل ، هو إدراكه أن طاقة الإلكترونات المنبعثة من تعتمد اللوحة الكهروضوئية - ليس على شدة الضوء (السعة) ، كما تنبأت نظرية الموجة - ولكن على التردد ، وهو معكوس الطول الموجي. كلما كان الطول الموجي للضوء الساقط أقصر ، زاد تردد الضوء وزادت الطاقة التي تمتلكها الإلكترونات المقذوفة. وبنفس الطريقة ، فإن الخلايا الكهروضوئية حساسة لطول الموجة وتستجيب بشكل أفضل لأشعة الشمس في بعض أجزاء الطيف أكثر من غيرها. لفهم السبب ، من المفيد مراجعة شرح أينشتاين للتأثير الكهروضوئي.

ساعد تفسير أينشتاين للتأثير الكهروضوئي في إنشاء النموذج الكمي للضوء. كل حزمة ضوئية ، تسمى الفوتون ، لها طاقة مميزة تحددها تردد الاهتزاز. يتم إعطاء الطاقة (E) للفوتون بموجب قانون بلانك: E = hf ، حيث f هو التردد و h هو ثابت بلانك (6.626 × 10)⁻³⁴ جول ∙ ثانية). على الرغم من حقيقة أن الفوتون له طبيعة جسيمية ، إلا أنه يتمتع أيضًا بخصائص موجية ، وبالنسبة لأي موجة ، فإن تردده هو مقلوب لطوله الموجي (الذي يُشار إليه هنا بالرمز w). إذا كانت سرعة الضوء c ، فإن f = c / w ، ويمكن كتابة قانون بلانك:

عندما تسقط الفوتونات على مادة موصلة ، فإنها تصطدم بالإلكترونات في الذرات الفردية. إذا كانت الفوتونات لديها طاقة كافية ، فإنها تقطع الإلكترونات الموجودة في الأصداف الخارجية. ثم تصبح هذه الإلكترونات حرة في الدوران عبر المادة. اعتمادًا على طاقة الفوتونات الساقطة ، قد يتم إخراجها من المادة تمامًا.

وفقًا لقانون بلانك ، تتناسب طاقة الفوتونات الساقطة عكسيًا مع طولها الموجي. يشغل الإشعاع قصير الموجة الطرف البنفسجي من الطيف ويتضمن الأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما. من ناحية أخرى ، يحتل الإشعاع طويل الموجة الطرف الأحمر ويتضمن الأشعة تحت الحمراء والموجات الدقيقة وموجات الراديو.

يحتوي ضوء الشمس على طيف كامل من الإشعاع ، ولكن الضوء ذو الطول الموجي القصير فقط هو الذي ينتج التأثيرات الكهروضوئية أو الكهروضوئية. هذا يعني أن جزءًا من الطيف الشمسي مفيد لتوليد الكهرباء. لا يهم مدى سطوع الضوء أو خفته. يجب أن يكون لها - على الأقل - الطول الموجي للخلية الشمسية. يمكن للأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة اختراق الغيوم ، مما يعني أن الخلايا الشمسية يجب أن تعمل في الأيام الملبدة بالغيوم - وهي تفعل ذلك.

يجب أن يكون للفوتون قيمة طاقة دنيا لإثارة الإلكترونات بما يكفي لطردها من مداراتها والسماح لها بالتحرك بحرية. في المادة الموصلة ، يُطلق على الحد الأدنى من الطاقة اسم وظيفة الشغل ، ويختلف باختلاف كل مادة موصلة. الطاقة الحركية للإلكترون المنطلق عن طريق الاصطدام بفوتون تساوي طاقة الفوتون مطروحًا منها وظيفة الشغل.

في الخلية الكهروضوئية ، يتم دمج مادتين مختلفتين من أشباه الموصلات لإنشاء ما يسميه الفيزيائيون تقاطع PN. من الناحية العملية ، من الشائع استخدام مادة واحدة ، مثل السيليكون ، وتثبيتها بمواد كيميائية مختلفة لإنشاء هذا التقاطع. على سبيل المثال ، يؤدي تعاطي المنشطات مع الأنتيمون إلى إنتاج أشباه موصلات من النوع N ، كما أن تعاطي المنشطات بالبورون يصنع أشباه موصلات من النوع P. تتجمع الإلكترونات التي خرجت من مداراتها بالقرب من تقاطع PN وتزيد من الجهد عبرها. تُعرف طاقة العتبة لإخراج الإلكترون من مداره إلى نطاق التوصيل باسم فجوة النطاق. إنها تشبه وظيفة العمل.

لكي يتطور الجهد عبر تقاطع PN لخلية شمسية. يجب أن يتجاوز الإشعاع الساقط طاقة فجوة النطاق. هذا يختلف بالنسبة للمواد المختلفة. 1.11 إلكترون فولت للسيليكون ، وهي المادة المستخدمة غالبًا للخلايا الشمسية. إلكترون واحد فولت = 1.6 × 10^-19 جول ، لذا فإن طاقة فجوة النطاق هي 1.78 × 10^-19 جول. إعادة ترتيب معادلة بلانك وحلها لطول الموجة يخبرك بالطول الموجي للضوء الذي يتوافق مع هذه الطاقة:

تحدث الأطوال الموجية للضوء المرئي بين 400 و 700 نانومتر ، لذا فإن الطول الموجي لعرض النطاق لخلايا السيليكون الشمسية يقع في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة جدًا. أي إشعاع ذو طول موجي أطول ، مثل الموجات الدقيقة وموجات الراديو ، يفتقر إلى الطاقة اللازمة لإنتاج الكهرباء من الخلية الشمسية.

يمكن لأي فوتون بطاقة أكبر من 1.11 إلكترون فولت أن يزيح إلكترونًا من ذرة سيليكون ويرسله إلى نطاق التوصيل. من الناحية العملية ، ترسل الفوتونات ذات الطول الموجي القصير جدًا (بطاقة تزيد عن 3 فولت) الإلكترونات خارج نطاق التوصيل وتجعلها غير متاحة للقيام بالعمل. تعتمد عتبة الطول الموجي العلوي للحصول على عمل مفيد من التأثير الكهروضوئي في الألواح الشمسية على هيكل الخلية الشمسية والمواد المستخدمة في بنائها والدائرة مميزات.

باختصار ، الخلايا الكهروضوئية حساسة للضوء من الطيف بأكمله طالما أن الطول الموجي أعلى من فجوة النطاق للمادة المستخدمة للخلية ، ولكن الضوء ذو الطول الموجي القصير للغاية يضيع. هذا هو أحد العوامل التي تؤثر على كفاءة الخلايا الشمسية. آخر هو سمك المادة شبه الموصلة. إذا كان على الفوتونات أن تسافر مسافة طويلة عبر المادة ، فإنها تفقد الطاقة من خلال الاصطدام مع الجسيمات الأخرى وقد لا يكون لديها طاقة كافية لطرد الإلكترون.

العامل الثالث الذي يؤثر على الكفاءة هو انعكاس الخلية الشمسية. يرتد جزء معين من الضوء الساقط عن سطح الخلية دون أن يصادف إلكترونًا. لتقليل الخسائر الناتجة عن الانعكاسية وزيادة الكفاءة ، عادةً ما يقوم مصنعو الخلايا الشمسية بتغطية الخلايا بمادة غير عاكسة تمتص الضوء. هذا هو السبب في أن الخلايا الشمسية عادة ما تكون سوداء.