Solarne stanice ovise o fenomenu poznatom kao fotonaponski efekt, koji je otkrio francuski fizičar Alexandre Edmond Becquerel (1820. - 1891.). Povezan je s fotoelektričnim efektom, pojavom kojom se elektroni izbacuju iz provodnog materijala kad ga obasja svjetlost. Albert Einstein (1879. - 1955.) osvojio je 1921. Nobelovu nagradu za fiziku za objašnjenje tog fenomena, koristeći kvantne principe koji su u to vrijeme bili novi. Za razliku od fotoelektričnog efekta, fotonaponski efekt odvija se na granici dviju poluvodičkih ploča, a ne na jednoj provodnoj ploči. Nijedan elektron se zapravo ne izbacuje kad svijetli. Umjesto toga, akumuliraju se duž granice kako bi stvorili napon. Kad dvije ploče spojite provodnom žicom, u žici će teći struja.
Einsteinovo veliko postignuće i razlog zbog kojeg je dobio Nobelovu nagradu bilo je prepoznati da je energija elektrona izbačenih iz fotoelektrična ploča ovisila - ne o intenzitetu svjetla (amplitudi), kako je teorija valova predviđala - već o frekvenciji, koja je obrnuta od valna duljina. Što je kraća valna duljina upadne svjetlosti, veća je frekvencija svjetlosti i više energije koju posjeduju izbačeni elektroni. Na isti su način fotonaponske stanice osjetljive na valnu duljinu i u nekim dijelovima spektra bolje reagiraju na sunčevu svjetlost od drugih. Da bismo razumjeli zašto, pomaže pregledati Einsteinovo objašnjenje fotoelektričnog efekta.
Učinak valne duljine sunčeve energije na elektronsku energiju
Einsteinovo objašnjenje fotoelektričnog efekta pomoglo je uspostaviti kvantni model svjetlosti. Svaki snop svjetlosti, koji se naziva foton, ima karakterističnu energiju određenu frekvencijom vibracija. Energija (E) fotona dana je Planckovim zakonom: E = hf, gdje je f frekvencija, a h Planckova konstanta (6.626 × 10−34 džul ∙ sekunda). Unatoč činjenici da foton ima prirodu čestica, on također ima valne karakteristike, a za bilo koji val njegova je frekvencija uzajamna od njegove valne duljine (koja se ovdje označava s w). Ako je brzina svjetlosti c, tada je f = c / w i može se napisati Planckov zakon:
E = \ frac {hc} {w}
Kad fotoni padnu na provodni materijal, sudaraju se s elektronima u pojedinim atomima. Ako fotoni imaju dovoljno energije, izbacuju elektrone u najudaljenijim ljuskama. Ti elektroni tada slobodno cirkuliraju kroz materijal. Ovisno o energiji upadajućih fotona, mogu se u potpunosti izbaciti iz materijala.
Prema Planckovom zakonu, energija upadajućih fotona obrnuto je proporcionalna njihovoj valnoj duljini. Zračenje kratkovalnih duljina zauzima ljubičasti kraj spektra i uključuje ultraljubičasto zračenje i gama zrake. S druge strane, dugovalno zračenje zauzima crveni kraj i uključuje infracrveno zračenje, mikrovalne valove i radio valove.
Sunčeva svjetlost sadrži čitav spektar zračenja, ali samo svjetlost s dovoljno kratkom valnom duljinom proizvest će fotoelektrične ili fotonaponske efekte. To znači da je dio sunčevog spektra koristan za proizvodnju električne energije. Nije bitno koliko je svjetlo jako ili prigušeno. Jednostavno mora imati - barem - valnu duljinu solarne ćelije. Visokoenergetsko ultraljubičasto zračenje može prodrijeti u oblake, što znači da bi sunčane stanice trebale funkcionirati u oblačnim danima - i to čine.
Funkcija rada i razmak u opsegu
Foton mora imati minimalnu energetsku vrijednost da pobudi elektrone toliko da ih izbaci iz njihovih orbitala i omogući im slobodno kretanje. U provodnom materijalu ta se minimalna energija naziva radna funkcija i različita je za svaki provodni materijal. Kinetička energija elektrona oslobođena sudarom s fotonom jednaka je energiji fotona minus radna funkcija.
U fotonaponskoj ćeliji stope se dva različita poluvodička materijala koji stvaraju ono što fizičari nazivaju PN-spojem. U praksi je uobičajeno koristiti jedan materijal, poput silicija, i nalijevati ga različitim kemikalijama za stvaranje ovog spoja. Na primjer, dopiranje silicija antimonom stvara poluvodič N-tipa, a doping borom poluvodič P-tipa. Elektroni izbijeni iz svojih orbita skupljaju se u blizini PN-spoja i povećavaju napon na njemu. Prag energije za izbacivanje elektrona iz njegove orbite u vodljivu zonu poznat je kao šupljina. Slično je radnoj funkciji.
Minimalne i maksimalne valne duljine
Da bi se razvio napon na PN-spoju solarne ćelije. upadno zračenje mora premašiti energiju zapornog pojasa. Ovo se razlikuje za različite materijale. Radi se o 1,11 elektrona volta za silicij, koji je materijal koji se najčešće koristi za solarne ćelije. Jedan elektron volt = 1,6 × 10-19 džula, pa je energija zapusnog pojasa 1,78 × 10-19 džula. Preuređivanje Plankove jednadžbe i rješavanje valne duljine govori vam valnu duljinu svjetlosti koja odgovara ovoj energiji:
w = \ frac {hc} {E} = 1,110 \ text {nanometri} = 1,11 \ puta 10 ^ {- 6} \ text {metara}
Valne duljine vidljive svjetlosti javljaju se između 400 i 700 nm, pa je valna duljina pojasa širine pojasa za silicijske solarne ćelije u vrlo bliskom infracrvenom području. Svakom zračenju duže valne duljine, poput mikrovalnih i radio valova, nedostaje energije za proizvodnju električne energije iz solarne ćelije.
Bilo koji foton s energijom većom od 1,11 eV može istisnuti elektron iz atoma silicija i poslati ga u vodljivi pojas. U praksi, međutim, fotoni vrlo kratke valne duljine (s energijom većom od oko 3 eV) šalju elektrone izvan provodnog pojasa i čine ih nedostupnima za rad. Ovisi gornji prag valne duljine za dobivanje korisnog rada od fotoelektričnog efekta na solarnim pločama o strukturi solarne ćelije, materijalima korištenim u njenoj konstrukciji i krugu karakteristike.
Valna duljina solarne energije i djelotvornost stanice
Ukratko, PV stanice osjetljive su na svjetlost iz cijelog spektra sve dok je valna duljina iznad zapusnog pojasa materijala koji se koristi za stanicu, ali se svjetlost krajnjih valnih duljina troši. To je jedan od čimbenika koji utječe na učinkovitost solarnih ćelija. Druga je debljina poluvodičkog materijala. Ako fotoni moraju dugo putovati kroz materijal, oni gube energiju sudarima s drugim česticama i možda neće imati dovoljno energije za istiskivanje elektrona.
Treći faktor koji utječe na učinkovitost je refleksija solarne ćelije. Određeni dio upadne svjetlosti odbija se od površine stanice bez nailaženja na elektron. Kako bi smanjili gubitke zbog refleksije i povećali učinkovitost, proizvođači solarnih ćelija obično premazuju stanice nereflektirajućim materijalom koji apsorbira svjetlost. Zbog toga su solarne ćelije obično crne.