Η επίδραση του μήκους κύματος στα φωτοβολταϊκά κύτταρα

Τα ηλιακά κύτταρα εξαρτώνται από ένα φαινόμενο γνωστό ως φωτοβολταϊκό φαινόμενο, το οποίο ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο φυσικό Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Σχετίζεται με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ένα φαινόμενο με το οποίο τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται από ένα αγώγιμο υλικό όταν λάμπει φως σε αυτό. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν (1879-1955) κέρδισε το βραβείο Νόμπελ φυσικής του 1921 για την εξήγησή του για το φαινόμενο, χρησιμοποιώντας κβαντικές αρχές που ήταν καινούργιες εκείνη την εποχή. Σε αντίθεση με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το φωτοβολταϊκό φαινόμενο λαμβάνει χώρα στο όριο δύο ημιαγωγών πλακών, όχι σε μία μόνο αγώγιμη πλάκα. Στην πραγματικότητα δεν εκτοξεύονται ηλεκτρόνια όταν λάμπει φως. Αντ 'αυτού, συσσωρεύονται κατά μήκος του ορίου για να δημιουργήσουν μια τάση. Όταν συνδέετε τις δύο πλάκες με ένα αγώγιμο καλώδιο, ένα ρεύμα θα ρέει στο καλώδιο.

Το μεγάλο επίτευγμα του Αϊνστάιν, και ο λόγος για τον οποίο κέρδισε το βραβείο Νόμπελ, ήταν να αναγνωρίσει ότι η ενέργεια των ηλεκτρονίων εκτοξεύτηκε από Η φωτοηλεκτρική πλάκα εξαρτάται - όχι από την ένταση του φωτός (πλάτος), όπως προέβλεπε η θεωρία των κυμάτων - αλλά από τη συχνότητα, που είναι το αντίστροφο του μήκος κύματος. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός, τόσο υψηλότερη είναι η συχνότητα του φωτός και τόσο περισσότερη ενέργεια κατέχουν τα εξερχόμενα ηλεκτρόνια. Με τον ίδιο τρόπο, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα είναι ευαίσθητα στο μήκος κύματος και ανταποκρίνονται καλύτερα στο φως του ήλιου σε ορισμένα μέρη του φάσματος από άλλα. Για να καταλάβετε γιατί, βοηθά στην αναθεώρηση της εξήγησης του Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα.

Η εξήγηση του Einstein για το φωτοηλεκτρικό εφέ βοήθησε στον καθορισμό του κβαντικού μοντέλου του φωτός. Κάθε δέσμη φωτός, που ονομάζεται φωτόνιο, έχει μια χαρακτηριστική ενέργεια που καθορίζεται από τη συχνότητα των κραδασμών. Η ενέργεια (E) ενός φωτονίου δίνεται από τον νόμο του Planck: E = hf, όπου f είναι η συχνότητα και h είναι η σταθερά του Planck (6,626 × 10⁻³⁴ joule ∙ δευτερόλεπτο). Παρά το γεγονός ότι ένα φωτόνιο έχει σωματιδιακή φύση, έχει επίσης χαρακτηριστικά κύματος, και για οποιοδήποτε κύμα, η συχνότητά του είναι το αντίστροφο του μήκους κύματος του (που δηλώνεται εδώ με το w). Εάν η ταχύτητα του φωτός είναι c, τότε μπορεί να γραφτεί f = c / w και ο νόμος του Planck:

Όταν τα φωτόνια προσπίπτουν σε ένα αγώγιμο υλικό, συγκρούονται με τα ηλεκτρόνια στα μεμονωμένα άτομα. Εάν τα φωτόνια έχουν αρκετή ενέργεια, χτυπούν τα ηλεκτρόνια στα εξώτατα κελύφη. Αυτά τα ηλεκτρόνια στη συνέχεια είναι ελεύθερα να κυκλοφορούν μέσω του υλικού. Ανάλογα με την ενέργεια των προσπίπτοντων φωτονίων, ενδέχεται να εξαχθούν εντελώς από το υλικό.

Σύμφωνα με το νόμο του Planck, η ενέργεια των προσπίπτοντων φωτονίων είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος κύματος τους. Η ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος καταλαμβάνει το ιώδες άκρο του φάσματος και περιλαμβάνει υπεριώδη ακτινοβολία και ακτίνες γάμμα. Από την άλλη πλευρά, η ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος καταλαμβάνει το κόκκινο άκρο και περιλαμβάνει υπέρυθρη ακτινοβολία, μικροκύματα και ραδιοκύματα.

Το φως του ήλιου περιέχει ένα ολόκληρο φάσμα ακτινοβολίας, αλλά μόνο φως με αρκετά μικρό μήκος κύματος θα παράγει τα φωτοηλεκτρικά ή φωτοβολταϊκά εφέ. Αυτό σημαίνει ότι ένα μέρος του ηλιακού φάσματος είναι χρήσιμο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Δεν έχει σημασία πόσο φωτεινό ή αμυδρό είναι το φως. Απλώς πρέπει να έχει - τουλάχιστον - το μήκος κύματος των ηλιακών κυψελών. Η υπεριώδης ακτινοβολία υψηλής ενέργειας μπορεί να διεισδύσει στα σύννεφα, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλιακά κύτταρα πρέπει να λειτουργούν σε συννεφιασμένες ημέρες - και το κάνουν.

Ένα φωτόνιο πρέπει να έχει μια ελάχιστη ενεργειακή τιμή για να διεγείρει τα ηλεκτρόνια ώστε να τα χτυπήσει από τις τροχιές τους και να τους επιτρέψει να κινούνται ελεύθερα. Σε ένα αγώγιμο υλικό, αυτή η ελάχιστη ενέργεια ονομάζεται λειτουργία εργασίας και είναι διαφορετική για κάθε αγώγιμο υλικό. Η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου που απελευθερώνεται με σύγκρουση με ένα φωτόνιο είναι ίση με την ενέργεια του φωτονίου μείον τη συνάρτηση εργασίας.

Σε ένα φωτοβολταϊκό κελί, δύο διαφορετικά υλικά ημιαγωγών συντήκονται για να δημιουργήσουν αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν διασταύρωση PN. Στην πράξη, είναι σύνηθες να χρησιμοποιείτε ένα μόνο υλικό, όπως το πυρίτιο, και να το κολλήσετε με διαφορετικά χημικά για να δημιουργήσετε αυτήν τη σύνδεση. Για παράδειγμα, το ντόπινγκ πυριτίου με αντιμόνιο δημιουργεί έναν ημιαγωγό τύπου Ν και το ντόπινγκ με βόριο δημιουργεί έναν ημιαγωγό τύπου Ρ. Τα ηλεκτρόνια που εκτοξεύονται από τις τροχιές τους συλλέγονται κοντά στη διασταύρωση PN και αυξάνουν την τάση που διασχίζει. Η ενέργεια κατωφλίου για να χτυπήσει ένα ηλεκτρόνιο από την τροχιά του και στη ζώνη αγωγιμότητας είναι γνωστή ως κενό ζώνης. Είναι παρόμοιο με τη λειτουργία εργασίας.

Για να αναπτυχθεί τάση κατά μήκος της διασταύρωσης PN ενός ηλιακού στοιχείου. η προσπίπτουσα ακτινοβολία πρέπει να υπερβαίνει την ενέργεια διακένου ζώνης. Αυτό είναι διαφορετικό για διαφορετικά υλικά. Είναι 1,11 ηλεκτρονικά βολτ για το πυρίτιο, το οποίο είναι το υλικό που χρησιμοποιείται συχνότερα για ηλιακά κύτταρα. Ένα ηλεκτρονικό βολτ = 1,6 × 10^-19 joules, οπότε η ενέργεια διακένου ζώνης είναι 1,78 × 10^-19 joules. Η εξίσωση και η επίλυση της εξίσωσης του Plank για το μήκος κύματος σας λέει το μήκος κύματος του φωτός που αντιστοιχεί σε αυτήν την ενέργεια:

Τα μήκη κύματος του ορατού φωτός εμφανίζονται μεταξύ 400 και 700 nm, επομένως το μήκος κύματος εύρους ζώνης για ηλιακά κύτταρα πυριτίου βρίσκεται στο πολύ κοντινό εύρος υπερύθρων. Οποιαδήποτε ακτινοβολία με μεγαλύτερο μήκος κύματος, όπως μικροκύματα και ραδιοκύματα, στερείται της ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μια ηλιακή κυψέλη.

Κάθε φωτόνιο με ενέργεια μεγαλύτερη από 1,11 eV μπορεί να αποσπάσει ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο πυριτίου και να το στείλει στη ζώνη αγωγιμότητας. Στην πράξη, ωστόσο, τα πολύ μικρά φωτόνια μήκους κύματος (με ενέργεια μεγαλύτερη από περίπου 3 eV) στέλνουν ηλεκτρόνια καθαρά από τη ζώνη αγωγιμότητας και τα καθιστούν μη διαθέσιμα για εργασία. Το ανώτερο όριο μήκους κύματος για να έχετε χρήσιμη εργασία από το φωτοηλεκτρικό εφέ σε ηλιακούς συλλέκτες εξαρτάται σχετικά με τη δομή του ηλιακού στοιχείου, τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή του και το κύκλωμα Χαρακτηριστικά.

Εν ολίγοις, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα είναι ευαίσθητα στο φως από ολόκληρο το φάσμα, αρκεί το μήκος κύματος να είναι πάνω από το διάκενο ζώνης του υλικού που χρησιμοποιείται για την κυψέλη, αλλά σπαταλάται εξαιρετικά μικρό μήκος μήκους κύματος. Αυτός είναι ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν την αποδοτικότητα των ηλιακών κυττάρων. Ένα άλλο είναι το πάχος του ημιαγωγού υλικού. Εάν τα φωτόνια πρέπει να διανύσουν πολύ το υλικό, χάνουν ενέργεια μέσω συγκρούσεων με άλλα σωματίδια και μπορεί να μην έχουν αρκετή ενέργεια για να αποσπάσουν ένα ηλεκτρόνιο.

Ένας τρίτος παράγοντας που επηρεάζει την αποδοτικότητα είναι η ανακλαστικότητα του ηλιακού στοιχείου. Ένα συγκεκριμένο κλάσμα του προσπίπτοντος φωτός αναπηδά από την επιφάνεια του κυττάρου χωρίς να συναντήσει ένα ηλεκτρόνιο. Για να μειώσουν τις απώλειες από την ανακλαστικότητα και να αυξήσουν την αποδοτικότητα, οι κατασκευαστές ηλιακών κυψελών συνήθως επικαλύπτουν τα κελιά με ένα μη αντανακλαστικό, απορροφητικό υλικό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα ηλιακά κύτταρα είναι συνήθως μαύρα.