Aurinkokennot riippuvat ilmiöstä, joka tunnetaan nimellä aurinkosähkötehoste, jonka löysi ranskalainen fyysikko Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Se liittyy valosähköiseen vaikutukseen, ilmiöön, jonka avulla elektroneja työnnetään johtavasta materiaalista, kun valo loistaa siihen. Albert Einstein (1879-1955) voitti fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1921 selityksestään ilmiöstä käyttäen tuolloin uusia kvanttiperiaatteita. Toisin kuin valosähköinen vaikutus, aurinkosähkövaikutus tapahtuu kahden puolijohtavan levyn rajalla, ei yhdellä johtavalla levyllä. Mitään elektroneja ei todellakaan purkaudu, kun valo loistaa. Sen sijaan ne kertyvät pitkin rajaa jännitteen luomiseksi. Kun liität kaksi levyä johtavalla johdolla, johtoon virtaa virta.
Einsteinin suuri saavutus ja syy, jonka vuoksi hän voitti Nobel-palkinnon, oli tunnistaa, että elektronien energia valosähköinen levy ei riippunut valon intensiteetistä (amplitudista), kuten aaltoteoria ennusti, vaan taajuudesta, joka on aallonpituus. Lyhyempi aallonpituuden aallonpituus, sitä korkeampi valon taajuus ja sitä enemmän energiaa heittää elektronit. Samalla tavalla aurinkosähkökennot ovat herkkiä aallonpituuksille ja reagoivat paremmin auringonvaloon joissakin spektrin osissa kuin toiset. Ymmärtämiseksi miksi, se auttaa tarkistamaan Einsteinin selityksen valosähköisestä vaikutuksesta.
Aurinkoenergian aallonpituuden vaikutus elektronienergiaan
Einsteinin selitys valosähköisestä vaikutuksesta auttoi luomaan valon kvanttimallin. Jokaisella valokimpulla, jota kutsutaan fotoniksi, on ominaisenergia, jonka määrää sen värähtelytaajuus. Fotonin energia (E) saadaan Planckin lailla: E = hf, missä f on taajuus ja h on Planckin vakio (6,626 × 10).−34 joule ∙ sekunti). Huolimatta siitä, että fotonilla on hiukkasten luonne, sillä on myös aalto-ominaisuuksia, ja minkä tahansa aallon osalta sen taajuus on aallonpituuden (joka merkitään tässä w: llä) vastavuoroinen. Jos valon nopeus on c, f = c / w, ja Planckin laki voidaan kirjoittaa:
E = \ frac {hc} {w}
Kun fotonit törmäävät johtavaan materiaaliin, ne törmäävät yksittäisten atomien elektronien kanssa. Jos fotoneilla on tarpeeksi energiaa, ne koputtavat elektronit syrjäisimmissä kuorissa. Nämä elektronit voivat sitten kiertää vapaasti materiaalin läpi. Tulevien fotonien energiasta riippuen ne voidaan poistaa kokonaan materiaalista.
Planckin lain mukaan tulevien fotonien energia on kääntäen verrannollinen niiden aallonpituuteen. Lyhyen aallonpituuden säteily vie spektrin violetin pään ja sisältää ultraviolettisäteilyn ja gammasäteet. Toisaalta pitkän aallonpituuden säteily vie punaisen pään ja sisältää infrapunasäteilyä, mikroaaltoja ja radioaaltoja.
Auringonvalo sisältää kokonaisen spektrin säteilyä, mutta vain riittävän lyhyen aallonpituuden omaava valo tuottaa valo- tai valosähköisiä vaikutuksia. Tämä tarkoittaa, että osa aurinkospektristä on hyödyllinen sähkön tuottamiseen. Ei ole väliä kuinka kirkas tai himmeä valo on. Sillä on vain oltava - vähintään - aurinkokennon aallonpituus. Suurenerginen ultraviolettisäteily voi tunkeutua pilviin, mikä tarkoittaa, että aurinkokennojen tulisi toimia pilvisinä päivinä - ja niin he tekevätkin.
Työn toiminto ja kaistan aukko
Fotonilla on oltava vähimmäisenergia-arvo, joka herättää elektroneja tarpeeksi kaatamaan ne kiertoradoilta ja antamaan heidän liikkua vapaasti. Johtavassa materiaalissa tätä vähimmäisenergiaa kutsutaan työtoiminnoksi, ja se on erilainen jokaisessa johtavassa materiaalissa. Fotonin kanssa törmäyksessä vapautuvan elektronin kineettinen energia on yhtä suuri kuin fotonin energia, josta on vähennetty työtoiminto.
Aurinkokennossa kaksi erilaista puolijohtavaa materiaalia sulatetaan luomaan sitä, mitä fyysikot kutsuvat PN-risteykseksi. Käytännössä on yleistä käyttää yhtä ainetta, kuten piitä, ja käyttää sitä eri kemikaaleilla tämän liitoksen luomiseksi. Esimerkiksi antimonilla seostamalla piitä syntyy N-tyyppinen puolijohde ja boorilla seostamalla P-tyyppinen puolijohde. Kiertoradaltaan pudotetut elektronit kerääntyvät lähellä PN-risteystä ja lisäävät sen jännitettä. Kynnysenergia, jolla elektroni voidaan lyödä pois kiertoradaltaan johtokaistaan, tunnetaan kaistan raona. Se on samanlainen kuin työtoiminto.
Pienin ja suurin aallonpituus
Jotta jännite kehittyy aurinkokennon PN-liitoksen yli. tulevan säteilyn on ylitettävä kaistavälien energia. Tämä on erilainen eri materiaaleissa. Se on 1,11 elektronivolttia piille, jota käytetään materiaalina useimmiten aurinkokennoissa. Yksi elektronijännite = 1,6 × 10-19 joulea, joten kaistan raon energia on 1,78 × 10-19 joulea. Plankin yhtälön järjestäminen uudelleen ja aallonpituuden ratkaiseminen kertoo valoaallonpituuden, joka vastaa tätä energiaa:
w = \ frac {hc} {E} = 1110 \ teksti {nanometriä} = 1,11 \ kertaa 10 ^ {- 6} \ teksti {metriä}
Näkyvän valon aallonpituudet esiintyvät välillä 400–700 nm, joten pii-aurinkokennojen kaistanleveyden aallonpituus on hyvin lähellä infrapuna-aluetta. Kaikilta pidemmän aallonpituuden säteilyltä, kuten mikroaaltouuneilta ja radioaalloilta, puuttuu energiaa tuottamaan sähköä aurinkokennosta.
Mikä tahansa fotoni, jonka energia on yli 1,11 eV, voi irrottaa elektronin piiatomista ja lähettää sen johtamiskaistalle. Käytännössä kuitenkin hyvin lyhyen aallonpituuden fotonit (joiden energia on yli noin 3 eV) lähettävät elektronit tyhjiksi johtokaistasta ja tekevät niistä mahdottomia tehdä työtä. Ylempi aallonpituuden kynnys, jotta saat hyödyllistä työtä aurinkopaneelien valosähköisestä vaikutuksesta, riippuu aurinkokennon rakenteesta, sen rakentamisessa käytetyistä materiaaleista ja piiristä ominaisuudet.
Aurinkoenergian aallonpituus ja solujen hyötysuhde
Lyhyesti sanottuna PV-solut ovat herkkiä koko spektrin valolle, kunhan aallonpituus on soluun käytetyn materiaalin kaistavälin yläpuolella, mutta erittäin lyhyen aallonpituuden valo hukkaan. Tämä on yksi tekijöistä, jotka vaikuttavat aurinkokennojen tehokkuuteen. Toinen on puolijohtavan materiaalin paksuus. Jos fotonien on kuljettava pitkin matkaa materiaalin läpi, ne menettävät energiaa törmäyksissä muiden hiukkasten kanssa ja heillä ei ehkä ole tarpeeksi energiaa elektronin irtoamiseksi.
Kolmas tehokkuuteen vaikuttava tekijä on aurinkokennon heijastavuus. Tietyt murto-osa tulevasta valosta pomppii solun pinnalta kohtaamatta elektronia. Heijastushäviöiden vähentämiseksi ja tehokkuuden lisäämiseksi aurinkokennovalmistajat päällystävät kennot heijastamattomalla, valoa absorboivalla materiaalilla. Siksi aurinkokennot ovat yleensä mustia.