Päikesepatareid sõltuvad fotoelektrilise efektina tuntud nähtusest, mille avastas prantsuse füüsik Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). See on seotud fotoelektrilise efektiga, nähtusega, mille kaudu elektronid juhtivast materjalist välja paiskuvad, kui sellele valgus paistab. Albert Einstein (1879-1955) pälvis 1921. aastal füüsika Nobeli preemia selle nähtuse selgitamise eest, kasutades tollal uusi kvantpõhimõtteid. Erinevalt fotoelektrilisest efektist toimub fotogalvaaniline efekt kahe pooljuhtplaadi piiril, mitte ühel juhtival plaadil. Valguse paistmisel ei väljutata tegelikult ühtegi elektroni. Selle asemel kogunevad nad pinge loomiseks piki piiri. Kui ühendate kaks plaati juhtiva juhtmega, voolab traadis vool.
Einsteini suur saavutus ja põhjus, miks ta Nobeli preemia pälvis, oli tõdeda, et elektronide energia fotoelektriline plaat sõltus mitte valguse intensiivsusest (amplituudist), nagu laine teooria ette nägi, vaid sagedusest, mis on lainepikkus. Mida lühem on langeva valguse lainepikkus, seda suurem on valguse sagedus ja seda rohkem on väljutatud elektronide energiat. Samamoodi on fotogalvaanilised elemendid lainepikkuse suhtes tundlikud ja reageerivad päikesevalgusele mõnes spektriosas paremini kui teised. Miks aru saada, aitab see üle vaadata Einsteini selgituse fotoelektrilise efekti kohta.
Päikeseenergia lainepikkuse mõju elektronenergiale
Einsteini fotoelektrilise efekti selgitus aitas luua valguse kvantmudeli. Igal valguskimbul, mida nimetatakse footoniks, on iseloomulik energia, mille määrab selle vibratsioonisagedus. Footoni energia (E) annab Plancki seadus: E = hf, kus f on sagedus ja h on Plancki konstant (6,626 × 10−34 joule ∙ teine). Hoolimata asjaolust, et footonil on osakese iseloom, on tal ka laineomadused ning mis tahes laine korral on selle sagedus lainepikkuse (mida siin tähistatakse w-ga) vastastikune. Kui valguskiirus on c, siis f = c / w ja Plancki seaduse saab kirjutada:
E = \ frac {hc} {w}
Kui footonid juhtivale materjalile langevad, põrkavad nad kokku üksikute aatomite elektronidega. Kui footonitel on piisavalt energiat, löövad nad välja äärmiste kestade elektronid. Need elektronid saavad seejärel vabalt materjali ringelda. Sõltuvalt langevate footonite energiast võivad nad materjalist üldse välja paiskuda.
Plancki seaduse järgi on langevate footonite energia pöördvõrdeline nende lainepikkusega. Lühilaineline kiirgus hõivab spektri violetse otsa ning hõlmab ultraviolettkiirgust ja gammakiiri. Teisest küljest hõivab pika lainepikkusega kiirgus punase otsa ja hõlmab infrapunakiirgust, mikrolaineahjusid ja raadiolaineid.
Päikesevalgus sisaldab tervet kiirgusspektrit, kuid ainult piisavalt lühikese lainepikkusega valgus tekitab foto- või fotogalvaanilisi efekte. See tähendab, et osa päikesespektrist on kasulik elektri tootmiseks. Pole tähtis, kui hele või hämar valgus on. Sellel peab lihtsalt olema - vähemalt - päikesepatarei lainepikkus. Suure energiaga ultraviolettkiirgus võib tungida pilvedesse, mis tähendab, et päikesepatareid peaksid hägustel päevadel toimima - ja seda nad ka teevad.
Tööfunktsioon ja ribavahe
Footonil peab olema minimaalne energiaväärtus, et erutada elektrone piisavalt, et nad orbiitidelt välja lüüa ja võimaldada neil vabalt liikuda. Juhtivas materjalis nimetatakse seda minimaalset energiat tööfunktsiooniks ja see on iga juhtiva materjali puhul erinev. Kokkupõrkel footoniga vabaneva elektroni kineetiline energia on võrdne footoni energiaga, millest lahutatakse tööfunktsioon.
Fotogalvaanilises elemendis sulatatakse kaks erinevat pooljuhtmaterjali, et luua see, mida füüsikud nimetavad PN-ristmikuks. Praktikas on selle ristmiku loomiseks tavaline kasutada ühte materjali, näiteks räni, ja seda erinevate kemikaalidega kokku tilgutada. Näiteks antimooniga räni lisamine loob N-tüüpi pooljuhi ja booriga doping P-tüüpi pooljuhi. Orbiidilt välja löödud elektronid kogunevad PN-ristmiku lähedale ja suurendavad selle pinget. Lävienergia, mille abil elektron välja lüüa orbiidilt juhtivusribasse, on tuntud kui ribalaius. See sarnaneb tööfunktsiooniga.
Minimaalne ja maksimaalne lainepikkus
Pinge tekkimiseks päikesepatarei ristmikul. langev kiirgus peab ületama ribalaiuse energiat. Erinevate materjalide puhul on see erinev. See on 1,11 elektronvolti räni jaoks, mida kasutatakse kõige sagedamini päikesepatareide jaoks. Üks elektronvolt = 1,6 × 10-19 džaulides, seega on riba vaheenergia 1,78 × 10-19 džaulid. Plangi võrrandi ümberkorraldamine ja lainepikkuse lahendamine ütleb teile valguse lainepikkuse, mis vastab sellele energiale:
w = \ frac {hc} {E} = 1110 teksti {nanomeetrit} = 1,11 korda 10 ^ {- 6} teksti {meetrit}
Nähtava valguse lainepikkused esinevad vahemikus 400–700 nm, seega on räni päikesepatareide ribalaiuse lainepikkus infrapuna lähedal. Igasuguses pikema lainepikkusega kiirguses, näiteks mikrolaineahjudes ja raadiolainetes, puudub energia päikesepatareist elektri tootmiseks.
Iga footon, mille energia on suurem kui 1,11 eV, võib ränidi aatomist elektroni välja tõrjuda ja juhtivusriba saata. Praktikas aga saadavad väga lühikese lainepikkusega footonid (energiaga üle 3 eV) elektronid juhtimisribast välja ja muudavad need töö tegemiseks kättesaamatuks. Ülemine lainepikkuse künnis päikesepaneelide fotoelektrilisest efektist kasuliku töö saamiseks sõltub päikesepatarei struktuuri, selle ehitamisel kasutatud materjalide ja vooluringi kohta omadused.
Päikeseenergia lainepikkus ja raku efektiivsus
Lühidalt öeldes on PV-rakud kogu spektri valguse suhtes tundlikud seni, kuni lainepikkus on raku jaoks kasutatud materjali ribalaiusest üle, kuid raisatakse ülilühikese lainepikkusega valgust. See on üks teguritest, mis mõjutab päikesepatareide efektiivsust. Teine on pooljuhtmaterjali paksus. Kui footonid peavad materjali läbima pika tee, kaotavad nad kokkupõrkes teiste osakestega energiat ja neil ei pruugi olla piisavalt elektroni väljatõstmiseks energiat.
Kolmas tõhusust mõjutav tegur on päikesepatarei peegelduvus. Teatav osa langevast valgusest põrkab raku pinnalt välja, ilma et oleks elektroni kohanud. Peegeldusvõime kadude vähendamiseks ja efektiivsuse suurendamiseks katavad päikesepatareide tootjad elemendid tavaliselt mittereflektiivse, valgust neelava materjaliga. Seetõttu on päikesepatareid tavaliselt mustad.