Effekten af ​​bølgelængde på solceller

Solceller afhænger af et fænomen kendt som den solcelleanvendte effekt, opdaget af den franske fysiker Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Det er relateret til den fotoelektriske effekt, et fænomen, hvor elektroner skubbes ud fra et ledende materiale, når lyset skinner på det. Albert Einstein (1879-1955) vandt 1921 Nobelprisen i fysik for sin forklaring af dette fænomen ved hjælp af kvanteprincipper, der var nye på det tidspunkt. I modsætning til den fotoelektriske effekt finder den fotovoltaiske effekt sted ved grænsen til to halvledende plader, ikke på en enkelt ledende plade. Ingen elektroner skubbes faktisk ud, når lyset skinner. I stedet akkumuleres de langs grænsen for at skabe en spænding. Når du forbinder de to plader med en ledende ledning, strømmer der en strøm i ledningen.

Einsteins store præstation, og grunden til, at han vandt Nobelprisen, var at erkende, at energien fra elektronerne, der kastes ud fra en fotoelektrisk plade var afhængig - ikke af lysintensitet (amplitude), som bølgeteori forudsagde - men af ​​frekvens, som er den omvendte af bølgelængde. Jo kortere bølgelængden af ​​indfaldende lys er, jo højere er frekvensen af ​​lyset og jo mere energi besidder de udskudte elektroner. På samme måde er solceller følsomme over for bølgelængde og reagerer bedre på sollys i nogle dele af spektret end andre. For at forstå hvorfor hjælper det med at gennemgå Einsteins forklaring på den fotoelektriske effekt.

Einsteins forklaring af den fotoelektriske effekt hjalp med til at etablere kvantemodellen af ​​lys. Hvert lysbundt, kaldet foton, har en karakteristisk energi bestemt af dets vibrationsfrekvens. Energien (E) af en foton er givet ved Plancks lov: E = hf, hvor f er frekvensen og h er Plancks konstant (6.626 × 10⁻³⁴ joule ∙ sekund). På trods af det faktum, at en foton har en partikelkarakter, har den også bølgeegenskaber, og for enhver bølge er dens frekvens den gensidige af dens bølgelængde (som her betegnes med w). Hvis lysets hastighed er c, så kan f = c / w, og Plancks lov kan skrives:

Når fotoner rammer et ledende materiale, kolliderer de med elektronerne i de enkelte atomer. Hvis fotonerne har nok energi, slår de elektronerne ud i de yderste skaller. Disse elektroner kan derefter cirkulere gennem materialet. Afhængig af energien i de indfaldende fotoner kan de blive skubbet ud af materialet helt.

Ifølge Plancks lov er energien fra de indfaldende fotoner omvendt proportional med deres bølgelængde. Kortbølgelængdestråling indtager den violette ende af spektret og inkluderer ultraviolet stråling og gammastråler. På den anden side optager langbølgelængde stråling den røde ende og inkluderer infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger.

Sollys indeholder et helt spektrum af stråling, men kun lys med en kort nok bølgelængde vil frembringe de fotoelektriske eller fotovoltaiske effekter. Dette betyder, at en del af solspektret er nyttigt til generering af elektricitet. Det betyder ikke noget, hvor lyst eller svagt lyset er. Det skal bare have - som et minimum - solcellebølgelængden. Høj-energi ultraviolet stråling kan trænge igennem skyer, hvilket betyder, at solceller skal fungere på overskyede dage - og det gør de.

En foton skal have en minimal energiværdi til at excitere elektroner nok til at banke dem fra deres orbitaler og lade dem bevæge sig frit. I et ledende materiale kaldes denne minimale energi arbejdsfunktionen, og den er forskellig for hvert ledende materiale. Den elektroniske kinetiske energi frigivet ved kollision med en foton er lig med fotonens energi minus arbejdsfunktionen.

I en fotovoltaisk celle smelter to forskellige halvledende materialer sammen for at skabe det, som fysikere kalder et PN-kryds. I praksis er det almindeligt at bruge et enkelt materiale, såsom silicium, og at dope det med forskellige kemikalier for at skabe dette kryds. For eksempel skaber doping silicium med antimon en N-type halvleder, og doping med bor gør en P-type halvleder. Elektroner, der er slået ud af deres baner, samles nær PN-krydset og øger spændingen over det. Tærskelenergien til at banke en elektron ud af sin bane og ind i ledningsbåndet er kendt som båndgabet. Det svarer til arbejdsfunktionen.

For at der kan udvikles en spænding på tværs af PN-krydset mellem en solcelle. den indfaldende stråling skal overstige båndgabsenergien. Dette er forskelligt for forskellige materialer. Det er 1,11 elektronvolt til silicium, hvilket er det materiale, der oftest bruges til solceller. Én elektronvolt = 1,6 × 10^-19 joule, så båndgabsenergien er 1,78 × 10^-19 joules. Omarrangering af Planks ligning og løsning af bølgelængde fortæller dig bølgelængden af ​​lys, der svarer til denne energi:

Bølgelængderne af synligt lys forekommer mellem 400 og 700 nm, så båndbreddebølgelængden for siliciumsolceller er i det meget nærme infrarøde interval. Enhver stråling med en længere bølgelængde, såsom mikrobølger og radiobølger, mangler energi til at producere elektricitet fra en solcelle.

Enhver foton med en energi større end 1,11 eV kan løsne en elektron fra et siliciumatom og sende den ind i ledningsbåndet. I praksis sender imidlertid meget korte bølgelængdefotoner (med en energi på mere end ca. 3 eV) elektroner fri ud af ledningsbåndet og gør dem utilgængelige til at udføre arbejde. Den øvre bølgelængde for at få nyttigt arbejde fra den fotoelektriske effekt i solpaneler afhænger om solcellens struktur, de materialer, der er brugt i dens konstruktion og kredsløbet egenskaber.

Kort sagt er PV-celler følsomme over for lys fra hele spektret, så længe bølgelængden er over båndgabet for det materiale, der anvendes til cellen, men ekstremt kort bølgelængdelys spildes. Dette er en af ​​de faktorer, der påvirker solcelleeffektiviteten. En anden er tykkelsen af ​​det halvledende materiale. Hvis fotoner skal bevæge sig langt gennem materialet, mister de energi gennem kollisioner med andre partikler og har muligvis ikke nok energi til at løsne en elektron.

En tredje faktor, der påvirker effektiviteten, er solcellens reflektionsevne. En vis brøkdel af indfaldende lys springer op fra celleoverfladen uden at støde på en elektron. For at reducere tab fra reflektionsevne og øge effektiviteten belægger solcelleproducenter cellerne normalt med et ikke-reflekterende, lysabsorberende materiale. Dette er grunden til, at solceller normalt er sorte.