Vliv vlnové délky na fotovoltaické články

Solární články závisí na jevu známém jako fotovoltaický efekt, který objevil francouzský fyzik Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Souvisí to s fotoelektrickým efektem, což je jev, při kterém jsou elektrony vysunuty z vodivého materiálu, když na něj svítí světlo. Albert Einstein (1879-1955) získal v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku za vysvětlení tohoto jevu pomocí kvantových principů, které byly v té době nové. Na rozdíl od fotoelektrického jevu se fotovoltaický efekt odehrává na hranici dvou polovodičových desek, nikoli na jedné vodivé desce. Když svítí světlo, ve skutečnosti se žádné elektrony nevystřelovaly. Místo toho se hromadí podél hranice a vytvářejí napětí. Když spojíte dvě desky s vodivým drátem, bude v vodiči proudit proud.

Einsteinovým velkým úspěchem a důvodem, proč získal Nobelovu cenu, bylo poznání, že energie elektronů vystřelených z fotoelektrická deska závisela - ne na intenzitě světla (amplitudě), jak předpovídala teorie vln - ale na frekvenci, která je inverzní k vlnová délka. Čím kratší je vlnová délka dopadajícího světla, tím vyšší je frekvence světla a tím více energie mají vysunuté elektrony. Stejným způsobem jsou fotovoltaické články citlivé na vlnovou délku a lépe reagují na sluneční světlo v některých částech spektra než jiné. Abychom pochopili proč, pomůže to přečíst Einsteinovo vysvětlení fotoelektrického jevu.

Einsteinovo vysvětlení fotoelektrického jevu pomohlo založit kvantový model světla. Každý svazek světla, nazývaný foton, má charakteristickou energii určenou frekvencí vibrací. Energie (E) fotonu je dána Planckovým zákonem: E = hf, kde f je frekvence a h je Planckova konstanta (6 626 × 10⁻³⁴ joule ∙ sekunda). Navzdory skutečnosti, že foton má částicovou povahu, má také vlnové charakteristiky a pro každou vlnu je jeho frekvence převrácená od jeho vlnové délky (která je zde označena w). Pokud je rychlost světla c, pak f = c / w, a lze psát Planckův zákon:

Když fotony dopadají na vodivý materiál, srážejí se s elektrony v jednotlivých atomech. Pokud mají fotony dostatek energie, vyrazí elektrony v nejvzdálenějších skořápkách. Tyto elektrony pak mohou volně obíhat materiálem. V závislosti na energii dopadajících fotonů mohou být z materiálu úplně vyhozeny.

Podle Planckova zákona je energie dopadajících fotonů nepřímo úměrná jejich vlnové délce. Záření krátkých vln zabírá fialový konec spektra a zahrnuje ultrafialové záření a paprsky gama. Na druhé straně záření s dlouhou vlnovou délkou zaujímá červený konec a zahrnuje infračervené záření, mikrovlny a rádiové vlny.

Sluneční světlo obsahuje celé spektrum záření, ale fotoelektrické nebo fotovoltaické efekty bude produkovat pouze světlo s dostatečně krátkou vlnovou délkou. To znamená, že část slunečního spektra je užitečná pro výrobu elektřiny. Nezáleží na tom, jak jasné nebo tlumené světlo je. Musí to mít - minimálně - vlnovou délku solárních článků. Vysokoenergetické ultrafialové záření může pronikat do mraků, což znamená, že solární články by měly fungovat v zamračených dnech - a také fungují.

Foton musí mít minimální energetickou hodnotu, aby excitoval elektrony natolik, aby je srazil z orbitalů a umožnil jim volný pohyb. Ve vodivém materiálu se tato minimální energie nazývá pracovní funkce a pro každý vodivý materiál se liší. Kinetická energie elektronu uvolněného srážkou s fotonem se rovná energii fotonu minus pracovní funkce.

Ve fotovoltaickém článku jsou spojeny dva různé polovodivé materiály, které vytvářejí to, čemu fyzici říkají spojení PN. V praxi je běžné používat jeden materiál, například křemík, a dopovat jej různými chemikáliemi, aby se vytvořil tento spoj. Například dopingový křemík s antimonem vytváří polovodič typu N a doping borem vytváří polovodič typu P. Elektrony vyřazené z jejich drah se shromažďují poblíž křižovatky PN a zvyšují napětí na něm. Prahová energie k vyřazení elektronu z jeho oběžné dráhy a do vodivého pásma je známá jako pásmová mezera. Je to podobné jako s pracovní funkcí.

Aby se napětí vyvinulo přes PN spojení solárního článku. dopadající záření musí překročit energii pásma. To se u různých materiálů liší. Jedná se o 1,11 elektronvoltu pro křemík, což je materiál používaný nejčastěji pro solární články. Jeden elektronvolt = 1,6 × 10^-19 joulů, takže energie pásma je 1,78 × 10^-19 joulů. Přeskupení Plankovy rovnice a řešení vlnové délky vám řekne vlnovou délku světla, která odpovídá této energii:

Vlnové délky viditelného světla se vyskytují mezi 400 a 700 nm, takže vlnová délka pásma pro křemíkové solární články je ve velmi blízkém infračerveném rozsahu. Jakékoli záření s delší vlnovou délkou, jako jsou mikrovlnné trouby a rádiové vlny, postrádá energii k výrobě elektřiny ze solárního článku.

Jakýkoli foton s energií vyšší než 1,11 eV může uvolnit elektron z atomu křemíku a poslat jej do vodivého pásma. V praxi však fotony s velmi krátkou vlnovou délkou (s energií vyšší než asi 3 eV) vysílají elektrony mimo vodivé pásmo a znemožňují jejich práci. Horní prahová hodnota vlnové délky pro získání užitečné práce z fotoelektrického jevu v solárních panelech závisí na struktuře solárního článku, materiálech použitých při jeho konstrukci a obvodu charakteristiky.

Stručně řečeno, fotovoltaické články jsou citlivé na světlo z celého spektra, pokud je vlnová délka nad mezerou pásma materiálu použitého pro buňku, ale dochází k plýtvání světlem extrémně krátké vlnové délky. To je jeden z faktorů, který ovlivňuje účinnost solárních článků. Další je tloušťka polovodičového materiálu. Pokud fotony musí projít dlouhou cestu materiálem, ztrácejí energii srážkami s jinými částicemi a nemusí mít dostatek energie k uvolnění elektronu.

Třetím faktorem ovlivňujícím účinnost je odrazivost solárního článku. Určitý zlomek dopadajícího světla se odrazí od povrchu buňky, aniž by narazil na elektron. Aby se snížily ztráty z odrazivosti a zvýšila účinnost, výrobci solárních článků obvykle potahují články nereflexním materiálem absorbujícím světlo. Proto jsou solární články obvykle černé.