A napelemek egy fotovoltaikus hatásként ismert jelenségtől függenek, amelyet Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) francia fizikus fedezett fel. Kapcsolódik a fotoelektromos hatáshoz, egy olyan jelenséghez, amelynek során az elektronok kilökődnek egy vezető anyagból, amikor fény világít rá. Albert Einstein (1879-1955) elnyerte az 1921. évi fizikai Nobel-díjat a jelenség magyarázatáért, az akkoriban új kvantumelvek alkalmazásával. A fotoelektromos hatással ellentétben a fotovoltaikus hatás két félvezető lemez határán történik, nem egyetlen vezető lemezen. A fény sütésekor valójában egyetlen elektron sem dobódik ki. Ehelyett a határ mentén felhalmozódva feszültséget hoznak létre. Amikor a két lemezt egy vezető huzallal köti össze, a vezetékben áram áramlik.
Einstein nagy eredménye és annak oka, hogy elnyerte a Nobel-díjat, az volt, hogy felismerje, hogy az elektronok energiája a fotoelektromos lemez - nem a fény intenzitásától (amplitúdójától) függ, ahogy a hullámelmélet megjósolta -, hanem a frekvenciától, amely a hullámhossz. Minél rövidebb a beeső fény hullámhossza, annál nagyobb a fény frekvenciája és annál több energiája van a kilökődő elektronoknak. Ugyanígy a fotovoltaikus cellák érzékenyek a hullámhosszra, és a spektrum egyes részein jobban reagálnak a napfényre, mint mások. Ennek megértése segít áttekinteni Einstein fotoelektromos hatásának magyarázatát.
A napenergia hullámhosszának hatása az elektron energiára
Einstein fotoelektromos hatásának magyarázata segített megállapítani a fény kvantummodelljét. Minden fénykötegnek, amelyet fotonnak hívnak, jellegzetes energiája van, amelyet a rezgés frekvenciája határoz meg. A foton energiáját (E) a Planck-törvény adja meg: E = hf, ahol f a frekvencia, h pedig Planck állandója (6,626 × 10−34 joule ∙ második). Annak ellenére, hogy a fotonnak részecske jellege van, hullámjellemzői is vannak, és bármely hullám esetén a frekvenciája a hullámhosszának reciproka (amelyet itt w-vel jelölünk). Ha a fénysebesség c, akkor f = c / w, és Planck-törvény megírható:
E = \ frac {hc} {w}
Amikor a fotonok egy vezető anyagra esnek, az egyes atomokban lévő elektronokkal ütköznek. Ha a fotonoknak elegendő energiájuk van, kiütik az elektronokat a legkülső héjakban. Ezek az elektronok szabadon keringhetnek az anyagon. A beeső fotonok energiájától függően teljesen ki tudják dobni őket az anyagból.
Planck törvénye szerint a beeső fotonok energiája fordítottan arányos a hullámhosszukkal. A rövid hullámhosszú sugárzás a spektrum ibolya végét foglalja magában, és magában foglalja az ultraibolya sugárzást és a gammasugarakat. Másrészt a hosszú hullámú sugárzás elfoglalja a vörös véget, és magában foglalja az infravörös sugárzást, a mikrohullámokat és a rádióhullámokat.
A napfény egy teljes sugárzási spektrumot tartalmaz, de csak elég rövid hullámhosszúságú fény fogja létrehozni a fotoelektromos vagy a fotovoltaikus hatásokat. Ez azt jelenti, hogy a napspektrum egy része hasznos villamos energia előállításához. Nem számít, mennyire világos vagy gyenge a fény. Csak a napelem hullámhosszának kell lennie. A nagy energiájú ultraibolya sugárzás behatolhat a felhőkbe, ami azt jelenti, hogy a napelemeknek felhős napokon működniük kell - és így is vannak.
Munkafunkció és sávrés
A fotonnak minimális energiaértékkel kell rendelkeznie ahhoz, hogy az elektronokat gerjessze ahhoz, hogy kiüthesse őket pályájukról, és szabad mozgást engedjen nekik. Vezető anyagban ezt a minimális energiát munkafunkciónak nevezzük, és ez minden vezető anyagnál eltérő. A fotonnal ütközve felszabaduló elektron mozgási energiája megegyezik a foton energiájával, levonva a munkafunkciót.
A fotovoltaikus cellában két különböző félvezető anyag olvasztódik össze, hogy létrehozzák azt, amit a fizikusok PN-csomópontnak neveznek. A gyakorlatban gyakori, hogy egyetlen anyagot, például szilíciumot használnak, és különböző vegyszerekkel doppingolják ezt a csomópontot. Például a szilícium antimonnal történő adalékolása N típusú félvezetőt hoz létre, a bórral történő doppingolás pedig P típusú félvezetőt hoz létre. A pályájukról kiütött elektronok a PN-csomópont közelében gyűlnek össze, és növelik a feszültséget rajta. Az a küszöbérték, amellyel egy elektron eldőlhet a pályájáról és a vezetősávba, sávrésként ismert. Hasonló a munka funkcióhoz.
Minimális és maximális hullámhossz
Ahhoz, hogy feszültség alakuljon ki egy napelem PN-csatlakozásán. a beeső sugárzásnak meg kell haladnia a sávrés energiáját. Ez különböző a különböző anyagoknál. Ez a szilícium 1,11 elektronvoltja, ezt az anyagot használják leggyakrabban a napelemekhez. Egy elektron volt = 1,6 × 10-19 joule, tehát a sávrés energiája 1,78 × 10-19 joule. A Plank egyenletének átrendezése és a hullámhossz megoldása megmondja a fény hullámhosszát, amely megfelel ennek az energiának:
w = \ frac {hc} {E} = 1 110 \ text {nanometers} = 1,11 \ szor 10 ^ {- 6} \ text {meter}
A látható fény hullámhosszai 400 és 700 nm között fordulnak elő, így a szilícium napelemek sávszélességének hullámhossza a közeli infravörös tartományban van. Bármely hosszabb hullámhosszú sugárzásnak, például mikrohullámoknak és rádióhullámoknak nincs energiája a napelemből villamos energia előállításához.
Bármely 1,11 eV-nél nagyobb energiájú foton kiszoríthatja az elektront a szilícium-atomból, és el tudja juttatni a vezetési sávba. A gyakorlatban azonban a nagyon rövid hullámhosszú fotonok (több mint kb. 3 eV energiával) az elektronokat kitisztítják a vezetősávból, és nem teszik lehetővé a munka elvégzését. A napelemek fotoelektromos hatásának hasznos munkájához szükséges felső hullámhossz-küszöb függ a napelem szerkezetén, a felépítéséhez felhasznált anyagokon és az áramkörön jellemzők.
A napenergia hullámhossza és a sejtek hatékonysága
Röviden: a PV-sejtek érzékenyek a teljes spektrum fényére, mindaddig, amíg a hullámhossz meghaladja a cellához felhasznált anyag sávrését, de rendkívül rövid hullámhosszú fény veszik kárba. Ez az egyik tényező, amely befolyásolja a napelem hatékonyságát. A másik a félvezető anyag vastagsága. Ha a fotonoknak hosszú utat kell megtenniük az anyagon, akkor más részecskékkel való ütközés során elveszítik energiájukat, és előfordulhat, hogy nincs elegendő energiájuk egy elektron kiszorításához.
A hatékonyságot befolyásoló harmadik tényező a napelem reflektivitása. A beeső fény egy bizonyos hányada úgy ugrál le a cella felületéről, hogy nem találkozik elektronral. A fényvisszaverő képesség veszteségeinek csökkentése és a hatékonyság növelése érdekében a napelemek gyártói általában nem reflektáló, fényelnyelő anyaggal vonják be a cellákat. Ezért a napelemek általában fekete színűek.