Слънчевите клетки зависят от явление, известно като фотоволтаичен ефект, открито от френския физик Александър Едмонд Бекерел (1820-1891). Той е свързан с фотоелектричния ефект, явление, при което електроните се изхвърлят от проводящ материал, когато светлината го осветява. Алберт Айнщайн (1879-1955) печели Нобелова награда за физика през 1921 г. за своето обяснение на този феномен, използвайки квантовите принципи, които са нови по това време. За разлика от фотоелектричния ефект, фотоволтаичният ефект се осъществява на границата на две полупроводникови плочи, а не върху една проводяща плоча. В действителност не се изхвърлят електрони, когато светлината свети. Вместо това те се натрупват по границата, за да създадат напрежение. Когато свържете двете плочи с проводящ проводник, в проводника ще тече ток.
Голямото постижение на Айнщайн и причината, поради която той спечели Нобелова награда, беше да признае, че енергията на електроните, изхвърлени от фотоелектрическата плоча зависи - не от интензитета на светлината (амплитудата), както прогнозира теорията на вълните - а от честотата, която е обратната на дължина на вълната. Колкото по-къса е дължината на вълната на падащата светлина, толкова по-висока е честотата на светлината и толкова повече енергия притежават изхвърлените електрони. По същия начин фотоволтаичните клетки са чувствителни към дължината на вълната и реагират по-добре на слънчева светлина в някои части от спектъра, отколкото други. За да разберете защо, помага да прегледате обяснението на Айнщайн за фотоелектричния ефект.
Ефектът на дължината на вълната на слънчевата енергия върху електронната енергия
Обяснението на Айнщайн за фотоелектричния ефект спомогна за установяването на квантовия модел на светлината. Всеки сноп светлина, наречен фотон, има характерна енергия, определена от честотата на вибрациите. Енергията (E) на фотона се дава от закона на Планк: E = hf, където f е честотата, а h е константата на Планк (6.626 × 10−34 джаул ∙ секунда). Въпреки факта, че фотонът има природа на частици, той също има характеристики на вълната и за всяка вълна честотата му е реципрочна на дължината на вълната (която тук е обозначена с w). Ако скоростта на светлината е c, тогава f = c / w и законът на Планк може да бъде написан:
E = \ frac {hc} {w}
Когато фотоните попадат върху проводящ материал, те се сблъскват с електроните в отделните атоми. Ако фотоните имат достатъчно енергия, те избиват електроните в най-външните обвивки. След това тези електрони могат свободно да циркулират през материала. В зависимост от енергията на падащите фотони, те могат да бъдат изхвърлени изцяло от материала.
Според закона на Планк енергията на падащите фотони е обратно пропорционална на дължината на вълната им. Излъчването с къса дължина на вълната заема виолетовия край на спектъра и включва ултравиолетово лъчение и гама лъчи. От друга страна, лъчението с дължина на вълната заема червения край и включва инфрачервено лъчение, микровълни и радиовълни.
Слънчевата светлина съдържа цял спектър на излъчване, но само светлина с достатъчно малка дължина на вълната ще произведе фотоелектрическите или фотоволтаичните ефекти. Това означава, че част от слънчевия спектър е полезна за генериране на електричество. Няма значение колко ярка или слаба е светлината. Просто трябва да има - най-малко - дължината на вълната на слънчевите клетки. Високоенергийното ултравиолетово лъчение може да проникне в облаците, което означава, че слънчевите клетки трябва да функционират в облачни дни - и те го правят.
Работна функция и пропуск в лентата
Фотонът трябва да има минимална енергийна стойност, за да възбужда електроните достатъчно, за да ги извади от орбиталите им и да им позволи да се движат свободно. В проводящ материал тази минимална енергия се нарича работна функция и е различна за всеки проводящ материал. Кинетичната енергия на електрон, освободен при сблъсък с фотон, е равна на енергията на фотона минус работната функция.
Във фотоволтаична клетка се сливат два различни полупроводникови материала, за да се създаде това, което физиците наричат PN-преход. На практика е обичайно да се използва единичен материал, като силиций, и да се добавя с различни химикали, за да се създаде тази връзка. Например, легирането на силиций с антимон създава полупроводник от N-тип, а допирането с бор прави полупроводник от тип P. Електроните, избити от орбитите си, се събират близо до PN-прехода и увеличават напрежението в него. Праговата енергия за избиване на електрона от неговата орбита и в проводимата лента е известна като лентова междина. Подобно е на работната функция.
Минимална и максимална дължина на вълната
За да се развие напрежение в PN-прехода на слънчева клетка. падащото излъчване трябва да надвишава енергията на лентовата междина. Това е различно за различните материали. Това е 1.11 електрон волта за силиций, което е материалът, използван най-често за слънчеви клетки. Един електронен волт = 1,6 × 10-19 джаула, така че енергията на лентовата междина е 1,78 × 10-19 джаули. Пренареждането на уравнението на Планк и решаването за дължина на вълната ви казва дължината на вълната на светлината, която съответства на тази енергия:
w = \ frac {hc} {E} = 1,110 \ text {нанометри} = 1,11 \ по 10 ^ {- 6} \ text {метри}
Дължините на вълните на видимата светлина се появяват между 400 и 700 nm, така че дължината на вълната на честотната лента за силициевите слънчеви клетки е в много близкия инфрачервен диапазон. Всяко лъчение с по-голяма дължина на вълната, като микровълни и радиовълни, няма енергия за производство на електричество от слънчева клетка.
Всеки фотон с енергия по-голяма от 1.11 eV може да измести електрон от силициев атом и да го изпрати в проводимата лента. На практика обаче фотоните с много къса дължина на вълната (с енергия повече от около 3 eV) изпращат електрони извън зоната на проводимост и ги правят недостъпни за работа. Зависи горният праг на дължината на вълната, за да получите полезна работа от фотоелектричния ефект в слънчевите панели върху структурата на слънчевата клетка, материалите, използвани при нейното изграждане и веригата характеристики.
Дължина на вълната на слънчевата енергия и клетъчна ефективност
Накратко, PV клетките са чувствителни към светлина от целия спектър, стига дължината на вълната да е над лентовата междина на материала, използван за клетката, но се губи изключително къса светлина. Това е един от факторите, който влияе върху ефективността на слънчевите клетки. Друга е дебелината на полупроводниковия материал. Ако фотоните трябва да изминат дълъг път през материала, те губят енергия при сблъсъци с други частици и може да не разполагат с достатъчно енергия, за да изместят електрон.
Трети фактор, влияещ върху ефективността, е отражателната способност на слънчевата клетка. Определена част от падащата светлина отскача от повърхността на клетката, без да срещне електрон. За да намалят загубите от отражателна способност и да увеличат ефективността, производителите на слънчеви клетки обикновено покриват клетките с нерефлективен, поглъщащ светлината материал. Ето защо слънчевите клетки обикновено са черни.