მზის უჯრედები დამოკიდებულია ფენომენზე, რომელიც ცნობილია როგორც ფოტოელექტრული ეფექტი, რომელიც აღმოაჩინა ფრანგმა ფიზიკოსმა ალექსანდრე ედმონდ ბეკერელმა (1820-1891). ეს დაკავშირებულია ფოტოელექტრულ ეფექტთან, ფენომენთან, რომლის საშუალებითაც ელექტრონები გამოიდევნება გამტარ მასალიდან, როდესაც მასზე ანათებს სინათლე. ალბერტ აინშტაინმა (1879-1955) მოიგო 1921 წლის ნობელის პრემია ფიზიკაში ამ ფენომენის ახსნისთვის, იმ დროისთვის ახალი კვანტური პრინციპების გამოყენებით. ფოტოელექტრული ეფექტისგან განსხვავებით, ფოტოელექტრული ეფექტი ხდება ორი ნახევარგამტარული ფირფიტის საზღვარზე და არა ერთ გამტარ ფირფიტაზე. არცერთი ელექტრონი არ გამოდევნება, როდესაც სინათლე ანათებს. ამის ნაცვლად, ისინი გროვდებიან საზღვრის გასწვრივ და ქმნიან ძაბვას. როდესაც ორი ფირფიტა გამტარ მავთულთან დააკავშირებთ, მავთულში დინება შემოვა.
აინშტაინის დიდი მიღწევა და მიზეზი, რის გამოც მან მიიღო ნობელის პრემია, იყო იმის აღიარება, რომ ელექტრონების ენერგია ფოტოელექტრული ფირფიტა იყო დამოკიდებული - არა სინათლის ინტენსივობაზე (ამპლიტუდაზე), როგორც ტალღების თეორია იწინასწარმეტყველა - არამედ სიხშირეზე, რომელიც შებრუნებულია ტალღის სიგრძე რაც უფრო მოკლეა ინციდენტის სინათლის ტალღის სიგრძე, მით უფრო მაღალია სინათლის სიხშირე და უფრო მეტ ენერგიას ფლობს განდევნილი ელექტრონები. ანალოგიურად, ფოტოელექტრონული უჯრედები მგრძნობიარენი არიან ტალღის სიგრძის მიმართ და სპექტრის ზოგიერთ ნაწილში მზის სხივებზე უკეთ რეაგირებენ, ვიდრე სხვები. იმის გასაგებად, თუ რატომ, ეს ეხმარება აინშტაინის ახსნას ფოტოელექტრული ეფექტის შესახებ.
მზის ენერგიის ტალღის გავლენა ელექტრონულ ენერგიაზე
აინშტაინის მიერ ფოტოელექტრული ეფექტის ახსნა დაეხმარა სინათლის კვანტური მოდელის დამკვიდრებაში. თითოეულ სინათლის შეკვრას, რომელსაც ფოტონს უწოდებენ, აქვს დამახასიათებელი ენერგია, რომელიც განისაზღვრება ვიბრაციის სიხშირით. ფოტონის ენერგია (E) მოცემულია პლანკის კანონის მიხედვით: E = hf, სადაც f არის სიხშირე და h არის პლანკის მუდმივა (6.626 10−34 ჯული ∙ წამი). მიუხედავად იმისა, რომ ფოტონს აქვს ნაწილაკების ხასიათი, მას ასევე აქვს ტალღის მახასიათებლები და ნებისმიერი ტალღისთვის მისი სიხშირე მისი ტალღის სიგრძის საპასუხო პროცესია (რაც აქ აღინიშნება w- ით). თუ სინათლის სიჩქარეა c, მაშინ f = c / w და პლანკის კანონი შეიძლება დაიწეროს:
E = \ frac {hc} {w}
როდესაც ფოტონები ხვდება გამტარ მასალას, ისინი ეჯახებიან ელექტრონებს ცალკეულ ატომებში. თუ ფოტონებს აქვთ საკმარისი ენერგია, ისინი აყრიან ელექტრონებს გარე გარსებში. ამ ელექტრონებს შემდეგ თავისუფლად შეუძლიათ ცირკულირება მასალაში. ინციდენტის მქონე ფოტონების ენერგიიდან გამომდინარე, ისინი შეიძლება საერთოდ გამოიდევნონ მასალიდან.
პლანკის კანონის თანახმად, ინციდენტირებული ფოტონების ენერგია უკუპროპორციულია მათი ტალღის სიგრძისა. მოკლე ტალღის გამოსხივება იკავებს სპექტრის იისფერ დაბოლოებას და მოიცავს ულტრაიისფერ გამოსხივებას და გამა სხივებს. მეორეს მხრივ, გრძელი ტალღის სიგრძის გამოსხივებას წითელი ბოლო უკავია და მოიცავს ინფრაწითელ გამოსხივებას, მიკროტალღურ ღუმელებს და რადიოტალღებს.
მზის სინათლე შეიცავს სხივების მთელ სპექტრს, მაგრამ მხოლოდ მსუბუქი მოკლე ტალღის სიგრძით გამოიმუშავებს ფოტოელექტრულ ან ფოტოელექტრულ ეფექტებს. ეს ნიშნავს, რომ მზის სპექტრის ნაწილი სასარგებლოა ელექტროენერგიის წარმოებისთვის. არ აქვს მნიშვნელობა რამდენად ნათელია ან ჩამუქებული შუქი. მას უბრალოდ უნდა ჰქონდეს - მინიმუმ - მზის უჯრედის ტალღის სიგრძე. მაღალენერგეტიკულმა ულტრაიისფერმა გამოსხივებამ შეიძლება ღრუბლებში შეაღწიოს, რაც ნიშნავს, რომ მზის უჯრედები ღრუბლიან დღეებში უნდა მუშაობდნენ - და ასეც ხდება.
სამუშაო ფუნქცია და ბარიკი
ფოტონს უნდა ჰქონდეს მინიმალური ენერგეტიკული მნიშვნელობა, რომ ელექტრონები აღაგზნებს იმდენად, რომ მათ ორბიტალიდან დაარტყა და თავისუფლად იმოძრაოს. გამტარ მასალაში ამ მინიმალურ ენერგიას სამუშაო ფუნქციას უწოდებენ და იგი განსხვავებულია თითოეული გამტარ მასალისთვის. ფოტონთან შეჯახების შედეგად გამოყოფილი ელექტრონის კინეტიკური ენერგია ტოლია ფოტონის ენერგიის გამოკლებული სამუშაო ფუნქცია.
ფოტოვოლტალურ უჯრედში ორი სხვადასხვა ნახევარგამტარული მასალაა შერწყმული, რომ შექმნან ის, რასაც ფიზიკოსები უწოდებენ PN შეერთებას. პრაქტიკაში, ჩვეულებრივია გამოიყენოს ერთი მასალა, მაგალითად სილიციუმი, და დოპინგი სხვადასხვა ქიმიკატებით ამ კვანძის შესაქმნელად. მაგალითად, ანტიმინით დოპინგის სილიციუმი ქმნის N ტიპის ნახევარგამტარს, ხოლო ბორით დოპინგი ქმნის P ტიპის ნახევარგამტარს. ელექტრონები, რომლებიც გამოვარდნენ თავიანთ ორბიტებში, აგროვებენ PN- კვანძთან და ზრდის მასზე ძაბვას. ბარიერი ენერგია ელექტრონიდან მისი ორბიტიდან გასახსნელად და გამტარობის ზოლში ცნობილია, როგორც ზოლის უფსკრული. ეს სამუშაო ფუნქციის მსგავსია.
ტალღის მინიმალური და მაქსიმალური სიგრძე
მზის უჯრედის PN კვანძზე გადასასვლელი ძაბვის განვითარებისათვის. შემთხვევითი გამოსხივება უნდა აღემატებოდეს ზოლის უფსკრული ენერგიას. ეს განსხვავებულია სხვადასხვა მასალისთვის. ეს არის 1,11 ელექტრონული ვოლტი სილიციუმისთვის, რომელიც არის მასალა, რომელიც ყველაზე ხშირად გამოიყენება მზის უჯრედებისათვის. ერთი ელექტრონული ვოლტი = 1,6 10-19 ჯოული, ასე რომ, ჯგუფის უფსკრული ენერგიაა 1.78 × 10-19 ჯოული პლანკის განტოლების გადალაგება და ტალღის სიგრძის ამოხსნა გიჩვენებთ სინათლის ტალღის სიგრძეს, რომელიც შეესაბამება ამ ენერგიას:
w = \ frac {hc} {E} = 1,110 \ ტექსტი {ნანომეტრი} = 1,11 \ ჯერ 10 ^ {- 6} \ ტექსტი {მეტრი}
ხილული სინათლის ტალღის სიგრძე ხდება 400 – დან 700 ნმ – მდე, ამიტომ სილიციუმის მზის უჯრედების სიგანის ტალღის სიგრძე ინფრაწითელი დიაპაზონის სიახლოვეს მდებარეობს. გრძელი ტალღის ნებისმიერი რადიაცია, როგორიცაა მიკროტალღური ღუმელები და რადიოტალღები, აკლია ენერგია მზის უჯრედისგან ელექტროენერგიის წარმოებისთვის.
1.11 ევ-ზე მეტი ენერგიის მქონე ნებისმიერ ფოტონს შეუძლია ელექტრონის განდევნა სილიციუმის ატომიდან და გაუგზავნოს გამტარ ზოლში. პრაქტიკაში, ძალიან მოკლე ტალღის სიგრძის ფოტონები (ენერგია 3 ევ-ზე მეტია) ელექტრონებს აცილებენ გამტარობის ზოლიდან და მათ მუშაობას ასრულებენ. მზის პანელებში ფოტოელექტრული ეფექტის მისაღებად სასარგებლო ტალღის სიგრძის ზედა ზღვარი დამოკიდებულია მზის უჯრედის სტრუქტურაზე, მასალებში, რომლებიც გამოიყენება მის მშენებლობაში და წრეში მახასიათებლები
მზის ენერგიის ტალღის სიგრძე და უჯრედის ეფექტურობა
მოკლედ, PV უჯრედები მგრძნობიარეა სინათლის მიმართ მთელი სპექტრიდან, სანამ ტალღის სიგრძეა უჯრედისთვის გამოყენებული მასალის ზოლის უფსკრულიდან, მაგრამ ფუჭად დაიხარჯება უკიდურესად მოკლე ტალღის სიგრძე. ეს არის ერთ-ერთი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს მზის უჯრედების ეფექტურობაზე. კიდევ ერთი არის ნახევარგამტარული მასალის სისქე. თუ ფოტონებს დიდი ხნის მანძილზე უწევთ მასალის გავლა, ისინი კარგავენ ენერგიას სხვა ნაწილაკებთან შეჯახების შედეგად და შეიძლება არ ჰქონდეთ საკმარისი ენერგია ელექტრონის განდევნისთვის.
მესამე ფაქტორი, რომელიც მოქმედებს ეფექტურობაზე, არის მზის უჯრედის ამრეკლავი. ინციდენტის სინათლის გარკვეული ნაწილი უჯრედის ზედაპირს ეშვება ელექტრონთან შეხების გარეშე. ამრეკლავიდან მიღებული დანაკარგების შესამცირებლად და ეფექტურობის გაზრდის მიზნით, მზის ელემენტების მწარმოებლები, ჩვეულებრივ, უჯრედებს იფარებენ არარეფლექციური, შუქის შემწოვი მასალით. ამიტომ მზის უჯრედები, როგორც წესი, შავია.