Der Einfluss der Wellenlänge auf Photovoltaikzellen

Solarzellen hängen von einem Phänomen ab, das als photovoltaischer Effekt bekannt ist und vom französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) entdeckt wurde. Es hängt mit dem photoelektrischen Effekt zusammen, einem Phänomen, bei dem Elektronen aus einem leitenden Material herausgeschleudert werden, wenn Licht darauf fällt. Albert Einstein (1879-1955) erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik für seine Erklärung dieses Phänomens unter Verwendung der damals neuen Quantenprinzipien. Im Gegensatz zum photoelektrischen Effekt findet der photoelektrische Effekt an der Grenze zweier halbleitender Platten statt, nicht auf einer einzigen leitenden Platte. Bei Lichteinfall werden keine Elektronen ausgestoßen. Stattdessen sammeln sie sich entlang der Grenze an, um eine Spannung zu erzeugen. Wenn Sie die beiden Platten mit einem leitenden Draht verbinden, fließt ein Strom durch den Draht.

Einsteins große Leistung und der Grund, warum er den Nobelpreis erhielt, war die Erkenntnis, dass die Energie der Elektronen, die von einem photoelektrische Platte abhängig – nicht von der Lichtintensität (Amplitude), wie die Wellentheorie vorhersagte – sondern von der Frequenz, die der Kehrwert von ist Wellenlänge. Je kürzer die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist, desto höher ist die Frequenz des Lichts und desto mehr Energie besitzen die ausgestoßenen Elektronen. Ebenso sind Photovoltaikzellen empfindlich gegenüber Wellenlängen und reagieren in einigen Bereichen des Spektrums besser auf Sonnenlicht als in anderen. Um zu verstehen, warum, hilft es, sich Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts anzusehen.

Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts half dabei, das Quantenmodell des Lichts zu etablieren. Jedes Lichtbündel, Photon genannt, hat eine charakteristische Energie, die durch seine Schwingungsfrequenz bestimmt wird. Die Energie (E) eines Photons ist durch das Plancksche Gesetz gegeben: E = hf, wobei f die Frequenz und h die Plancksche Konstante (6,626 × 10⁻³⁴ Joule∙Sekunde). Trotz der Tatsache, dass ein Photon Teilchencharakter hat, hat es auch Welleneigenschaften, und für jede Welle ist seine Frequenz der Kehrwert seiner Wellenlänge (die hier mit w bezeichnet wird). Wenn die Lichtgeschwindigkeit c ist, dann ist f = c/w, und das Plancksche Gesetz kann geschrieben werden:

Wenn Photonen auf ein leitfähiges Material treffen, kollidieren sie mit den Elektronen in den einzelnen Atomen. Wenn die Photonen genügend Energie haben, schlagen sie die Elektronen in den äußersten Schalen heraus. Diese Elektronen können dann frei durch das Material zirkulieren. Abhängig von der Energie der einfallenden Photonen können diese ganz aus dem Material herausgeschleudert werden.

Nach dem Planckschen Gesetz ist die Energie der einfallenden Photonen umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge. Die kurzwellige Strahlung nimmt das violette Ende des Spektrums ein und umfasst ultraviolette Strahlung und Gammastrahlung. Auf der anderen Seite besetzt langwellige Strahlung das rote Ende und umfasst Infrarotstrahlung, Mikrowellen und Radiowellen.

Sonnenlicht enthält ein ganzes Strahlungsspektrum, aber nur Licht mit einer ausreichend kurzen Wellenlänge erzeugt die photoelektrischen oder photovoltaischen Effekte. Dies bedeutet, dass ein Teil des Sonnenspektrums für die Stromerzeugung nutzbar ist. Es spielt keine Rolle, wie hell oder schwach das Licht ist. Es muss nur – mindestens – die Wellenlänge der Solarzelle haben. Hochenergetische ultraviolette Strahlung kann Wolken durchdringen, daher sollten Solarzellen an bewölkten Tagen funktionieren – und sie tun es.

Ein Photon muss einen minimalen Energiewert haben, um Elektronen so anzuregen, dass sie aus ihren Orbitalen gestoßen werden und sich frei bewegen können. In einem leitenden Material wird diese Mindestenergie als Austrittsarbeit bezeichnet und ist für jedes leitende Material unterschiedlich. Die kinetische Energie eines Elektrons, das durch Kollision mit einem Photon freigesetzt wird, ist gleich der Energie des Photons abzüglich der Austrittsarbeit.

In einer Photovoltaikzelle werden zwei verschiedene halbleitende Materialien verschmolzen, um einen PN-Übergang zu erzeugen, den Physiker nennen. In der Praxis ist es üblich, ein einziges Material wie Silizium zu verwenden und es mit verschiedenen Chemikalien zu dotieren, um diese Verbindung herzustellen. Zum Beispiel erzeugt das Dotieren von Silizium mit Antimon einen N-Typ-Halbleiter, und das Dotieren mit Bor erzeugt einen P-Typ-Halbleiter. Elektronen, die aus ihren Bahnen geschlagen wurden, sammeln sich in der Nähe des PN-Übergangs und erhöhen die Spannung darüber. Die Schwellenenergie, um ein Elektron aus seiner Bahn und in das Leitungsband zu werfen, wird als Bandlücke bezeichnet. Es ist ähnlich der Arbeitsfunktion.

Damit am PN-Übergang einer Solarzelle eine Spannung entsteht. die einfallende Strahlung muss die Bandlückenenergie überschreiten. Dies ist bei verschiedenen Materialien unterschiedlich. Bei Silizium, dem am häufigsten für Solarzellen verwendeten Material, sind es 1,11 Elektronenvolt. Ein Elektronenvolt = 1,6 × 10^-19 Joule, also beträgt die Bandlückenenergie 1,78 × 10^-19 Joule. Wenn Sie die Plank-Gleichung neu anordnen und nach Wellenlänge auflösen, erhalten Sie die Wellenlänge des Lichts, die dieser Energie entspricht:

Die Wellenlängen des sichtbaren Lichts liegen zwischen 400 und 700 nm, sodass die Bandbreitenwellenlänge für Siliziumsolarzellen im sehr nahen Infrarotbereich liegt. Jeder Strahlung mit einer längeren Wellenlänge, wie Mikrowellen und Radiowellen, fehlt die Energie, um Strom aus einer Solarzelle zu erzeugen.

Jedes Photon mit einer Energie von mehr als 1,11 eV kann ein Elektron von einem Siliziumatom lösen und in das Leitungsband schicken. In der Praxis jedoch senden sehr kurzwellige Photonen (mit einer Energie von mehr als etwa 3 eV) Elektronen aus dem Leitungsband und machen sie für die Arbeit unzugänglich. Die obere Wellenlängenschwelle, um aus dem photoelektrischen Effekt in Sonnenkollektoren nützliche Arbeit zu erhalten, hängt davon ab über den Aufbau der Solarzelle, die verwendeten Materialien und die Schaltung Eigenschaften.

Kurz gesagt, PV-Zellen sind empfindlich gegenüber Licht aus dem gesamten Spektrum, solange die Wellenlänge über der Bandlücke des für die Zelle verwendeten Materials liegt, aber extrem kurzwelliges Licht wird verschwendet. Dies ist einer der Faktoren, der die Effizienz von Solarzellen beeinflusst. Ein anderer ist die Dicke des halbleitenden Materials. Wenn Photonen einen weiten Weg durch das Material zurücklegen müssen, verlieren sie durch Kollisionen mit anderen Teilchen Energie und haben möglicherweise nicht genug Energie, um ein Elektron zu verdrängen.

Ein dritter Faktor, der den Wirkungsgrad beeinflusst, ist das Reflexionsvermögen der Solarzelle. Ein bestimmter Anteil des einfallenden Lichts prallt von der Oberfläche der Zelle ab, ohne auf ein Elektron zu treffen. Um Verluste durch Reflektivität zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen, beschichten Solarzellenhersteller die Zellen normalerweise mit einem nicht reflektierenden, lichtabsorbierenden Material. Aus diesem Grund sind Solarzellen normalerweise schwarz.