תאים סולריים תלויים בתופעה המכונה האפקט הפוטו וולטאי, שהתגלה על ידי הפיזיקאי הצרפתי אלכסנדר אדמונד בקרל (1820-1891). זה קשור לאפקט הפוטואלקטרי, תופעה לפיה אלקטרונים נפלטים מחומר מוליך כאשר האור זורח עליו. אלברט איינשטיין (1879-1955) זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1921 על הסברו על אותה תופעה, תוך שימוש בעקרונות קוונטיים שהיו חדשים באותה תקופה. בשונה מהאפקט הפוטואלקטרי, האפקט הפוטו-וולטאי מתרחש בגבול שתי לוחות מוליכים למחצה, לא על לוחית מוליכה אחת. אף אלקטרונים לא נפלטים כאשר האור זורח. במקום זאת הם מצטברים לאורך הגבול ליצירת מתח. כאשר אתה מחבר את שתי הלוחות עם חוט מוליך, זרם יזרום בחוט.
ההישג הגדול של איינשטיין, והסיבה שבגללה זכה בפרס נובל, היה להכיר בכך שאנרגיית האלקטרונים שנפלטה מ הלוח הפוטואלקטרי היה תלוי - לא בעוצמת האור (משרעת), כפי שניבאה תורת הגלים - אלא בתדר, שהוא ההפוך של אֹרֶך גַל. ככל שאורך הגל של האור הפולש קצר יותר, כך תדירות האור גבוהה יותר וככל שיש יותר אלקטרונים שנפלטו. באותו אופן, תאים פוטו-וולטאיים רגישים לאורכי גל ומגיבים טוב יותר לאור השמש בחלקים מסוימים של הספקטרום מאשר לאחרים. כדי להבין מדוע, זה עוזר לסקור את ההסבר של איינשטיין על האפקט הפוטואלקטרי.
ההשפעה של אורך הגל של אנרגיית השמש על אנרגיית אלקטרונים
ההסבר של איינשטיין על האפקט הפוטואלקטרי עזר לבסס את המודל הקוונטי של האור. לכל צרור אור, הנקרא פוטון, אנרגיה אופיינית הנקבעת על ידי תדירות הרטט שלו. האנרגיה (E) של פוטון ניתנת על ידי חוק פלאנק: E = hf, כאשר f הוא התדר ו- h הוא הקבוע של פלאנק (6.626 × 10−34 ג'ולה ∙ שנייה). למרות העובדה שלפוטון יש אופי של חלקיקים, יש לו גם מאפייני גל, ולכל גל, התדירות שלו היא הדדית של אורך הגל שלו (שמסומן כאן ב- w). אם מהירות האור היא c, אז f = c / w, וניתן לכתוב את חוק פלאנק:
E = \ frac {hc} {w}
כאשר פוטונים מתרחשים על חומר מוליך, הם מתנגשים עם האלקטרונים באטומים הבודדים. אם לפוטונים יש מספיק אנרגיה, הם דופקים את האלקטרונים בקליפות החיצוניות ביותר. אלקטרונים אלה חופשיים להסתובב דרך החומר. בהתאם לאנרגיה של הפוטונים האירועים, הם עשויים להיפלט מהחומר לחלוטין.
על פי חוק פלאנק, האנרגיה של הפוטונים האירועים היא ביחס הפוך לאורך הגל שלהם. קרינה באורך גל קצר תופסת את הקצה הסגול של הספקטרום וכוללת קרינה אולטרה סגולה וקרני גמא. מצד שני, קרינה באורך גל ארוך תופסת את הקצה האדום וכוללת קרינת אינפרא אדום, מיקרוגל וגלי רדיו.
אור השמש מכיל ספקטרום שלם של קרינה, אך רק אור באורך גל מספיק קצר יפיק את האפקטים הפוטו-חשמליים או הפוטו-וולטאיים. המשמעות היא שחלק מהספקטרום הסולארי שימושי לייצור חשמל. לא משנה כמה האור בהיר או עמום. זה רק צריך להיות - לכל הפחות - אורך הגל של תאי השמש. קרינה אולטרה סגולה באנרגיה גבוהה יכולה לחדור לעננים, מה שאומר שתאי שמש צריכים לתפקד בימים מעוננים - והם כן.
פונקציית עבודה ופער פער
לפוטון חייב להיות ערך אנרגיה מינימלי כדי לרגש אלקטרונים מספיק כדי לדפוק אותם ממסלולם ולאפשר להם לנוע בחופשיות. בחומר מוליך, אנרגיה מינימלית זו נקראת פונקציית העבודה, והיא שונה עבור כל חומר מוליך. האנרגיה הקינטית של אלקטרון המשתחרר מהתנגשות עם פוטון שווה לאנרגיה של הפוטון פחות פונקציית העבודה.
בתא פוטו-וולטאי, שני חומרים מוליכים למחצה שונים התמזגו כדי ליצור את מה שפיזיקאים מכנים צומת PN. בפועל, מקובל להשתמש בחומר יחיד, כגון סיליקון, ולהטביל אותו בכימיקלים שונים כדי ליצור צומת זה. לדוגמא, סימום סיליקון עם אנטימון יוצר מוליך למחצה מסוג N, וסמים עם בורון מייצרים מוליכים למחצה מסוג P. אלקטרונים שהודחו מהמסלולים שלהם מתאספים ליד צומת ה- PN ומגדילים את המתח עליו. אנרגיית הסף לדפוק אלקטרון ממסלולו ולתוך ההולכה ידועה בשם פער הלהקה. זה דומה לפונקציית העבודה.
אורכי גל מינימום ומקסימום
למתח להתפתח על פני צומת PN של תא סולארי. על קרינת האירוע לחרוג מאנרגיית פער הלהקה. זה שונה מבחינת חומרים שונים. זהו 1.11 וולט אלקטרונים לסיליקון, שהוא החומר המשמש לרוב לתאי שמש. וולט אלקטרוני אחד = 1.6 × 10-19 ג'אול, כך שאנרגיית פער הלהקה היא 1.78 × 10-19 ג'אול. סידור מחדש של משוואת פלאנק ופתרון אורך גל אומר לך את אורך הגל של האור המתאים לאנרגיה זו:
w = \ frac {hc} {E} = 1,110 \ טקסט {ננומטרים} = 1.11 \ פעמים 10 ^ {- 6} \ טקסט {מטרים}
אורכי הגל של האור הנראה מתרחשים בין 400 ל -700 ננומטר, כך שאורך הגל של רוחב הפס של תאי השמש הסיליקון נמצא בתחום האינפרא אדום הקרוב מאוד. כל קרינה באורך גל ארוך יותר, כמו מיקרוגל וגלי רדיו, חסרה אנרגיה לייצר חשמל מתא סולארי.
כל פוטון בעל אנרגיה הגדולה מ- 1.11 eV יכול לעקור אלקטרון מאטום סיליקון ולשלוח אותו ללהקת ההולכה. אולם בפועל, פוטונים מאוד קצרים באורך גל (באנרגיה של יותר מ -3 eV) שולחים אלקטרונים מפס ההולכה והופכים אותם לבלתי זמינים לעבודה. סף אורך הגל העליון כדי להשיג עבודה שימושית מהאפקט הפוטואלקטרי בפאנלים סולאריים תלוי על מבנה התא הסולארי, החומרים המשמשים לבנייתו והמעגל מאפיינים.
אורכי גל אנרגיה סולארית ויעילות תאים
בקיצור, תאי PV רגישים לאור מכל הספקטרום כל עוד אורך הגל נמצא מעל פער הלהקה של החומר המשמש לתא, אך אור אורך גל קצר ביותר מבוזבז. זהו אחד הגורמים המשפיעים על יעילות תאי השמש. אחר הוא עובי החומר המוליך למחצה. אם פוטונים צריכים לעבור דרך ארוכה דרך החומר, הם מאבדים אנרגיה בגלל התנגשויות עם חלקיקים אחרים ואולי אין להם מספיק אנרגיה כדי לעקור אלקטרון.
גורם שלישי המשפיע על היעילות הוא רפלקטיביות התא הסולארי. חלק מסוים של אור אירוע קופץ מעל פני התא מבלי להיתקל באלקטרון. כדי להפחית את ההפסדים מרפלקטיביות ולהגביר את היעילות, יצרני תאים סולאריים בדרך כלל מצפים את התאים בחומר שאינו רפלקטיבי וסופג אור. זו הסיבה שתאים סולאריים הם בדרך כלל שחורים.