Saulės elementai priklauso nuo reiškinio, žinomo kaip fotovoltinis efektas, kurį atrado prancūzų fizikas Alexandre'as Edmondas Becquerelis (1820–1891). Tai susiję su fotoelektriniu efektu - reiškiniu, kai elektronai išmetami iš laidžios medžiagos, kai ant jo šviečia šviesa. Albertas Einšteinas (1879-1955) pelnė 1921 m. Nobelio fizikos premiją už šio reiškinio paaiškinimą, naudodamas tuo metu naujus kvantinius principus. Skirtingai nei fotoelektrinis efektas, fotoelektros efektas vyksta dviejų puslaidininkių plokščių riboje, o ne vienoje laidžioje plokštelėje. Šviečiant šviesai iš tikrųjų neišmetami jokie elektronai. Vietoj to, jie kaupiasi palei ribą, kad sukurtų įtampą. Kai sujungsite dvi plokštes laidžiu laidu, viela tekės srovė.
Didelis Einšteino pasiekimas ir priežastis, dėl kurios jis laimėjo Nobelio premiją, buvo pripažinti, kad elektronų energija išsiskiria iš fotoelektrinė plokštė priklausė ne nuo šviesos intensyvumo (amplitudės), kaip numatė bangų teorija, bet nuo dažnio, kuris yra atvirkštinis bangos ilgis. Kuo trumpesnis krintančios šviesos bangos ilgis, tuo didesnis šviesos dažnis ir daugiau energijos turi išstumti elektronai. Lygiai taip pat fotoelektros elementai yra jautrūs bangos ilgiui ir geriau reaguoja į saulės spindulius kai kuriose spektro dalyse nei kiti. Norėdami suprasti, kodėl, tai padeda peržiūrėti Einšteino paaiškinimą apie fotoelektrinį efektą.
Saulės energijos bangos ilgio įtaka elektronų energijai
Einšteino fotoelektrinio efekto paaiškinimas padėjo nustatyti šviesos kvantinį modelį. Kiekvienas šviesos ryšulys, vadinamas fotonu, turi būdingą energiją, kurią lemia jo vibracijos dažnis. Fotono energija (E) nustatoma pagal Plancko dėsnį: E = hf, kur f yra dažnis, o h - Plancko konstanta (6,626 × 10).−34 džaulė ∙ antra). Nepaisant to, kad fotonas turi dalelių prigimtį, jis taip pat turi bangų charakteristikas, o bet kuriai bangai jo dažnis yra abipusis jo bangos ilgis (kuris čia žymimas w). Jei šviesos greitis yra c, tada f = c / w ir galima parašyti Plancko dėsnį:
E = \ frac {hc} {w}
Kai fotonai patenka į laidžią medžiagą, jie susiduria su atskirų atomų elektronais. Jei fotonai turi pakankamai energijos, jie išmuša elektronus atokiausiuose apvalkaluose. Šie elektronai gali laisvai cirkuliuoti per medžiagą. Priklausomai nuo krintančių fotonų energijos, jie gali būti visiškai išstumti iš medžiagos.
Pagal Plancko dėsnį krintančių fotonų energija yra atvirkščiai proporcinga jų bangos ilgiui. Trumpo bangos spinduliuotė užima violetinę spektro galą ir apima ultravioletinę spinduliuotę ir gama spindulius. Kita vertus, ilgos bangos spinduliuotė užima raudoną galą ir apima infraraudonąją spinduliuotę, mikrobangų ir radijo bangas.
Saulės šviesoje yra visas spinduliuotės spektras, tačiau tik pakankamai trumpo bangos ilgio šviesa sukels fotoelektrinius ar fotovoltinius efektus. Tai reiškia, kad dalis saulės spektro yra naudinga elektrai gaminti. Nesvarbu, kokia ryški ar silpna šviesa. Jis tiesiog turi turėti - bent jau - saulės elemento bangos ilgį. Didelės energijos ultravioletinė spinduliuotė gali prasiskverbti pro debesis, o tai reiškia, kad saulės elementai turėtų veikti debesuotomis dienomis - ir jie tai daro.
Darbo funkcija ir juostos spraga
Fotonas turi turėti mažiausią energijos vertę, kad sužadintų elektronus tiek, kad išmuštų iš orbitalių ir leistų laisvai judėti. Laidžioje medžiagoje ši minimali energija vadinama darbo funkcija, ir ji skiriasi kiekvienai laidžiai medžiagai. Kineto, išsiskiriančio susidūrus su fotonu, kinetinė energija yra lygi fotono energijai, atėmus darbo funkciją.
Fotoelektros elemente dvi skirtingos puslaidininkinės medžiagos yra sujungtos, kad sukurtų tai, ką fizikai vadina PN jungtimi. Praktiškai, norint sukurti šią sankryžą, įprasta naudoti vieną medžiagą, pavyzdžiui, silicį, ir užpilti įvairiais chemikalais. Pavyzdžiui, užpilant silicį su stibiu, susidaro N tipo puslaidininkis, o dėl dopingo boru - P tipo puslaidininkis. Iš orbitos išmušti elektronai renkasi šalia PN jungties ir padidina įtampą per ją. Ribinė energija, norint išmušti elektroną iš savo orbitos ir į laidumo juostą, yra žinoma kaip juostos tarpas. Tai panašu į darbo funkciją.
Mažiausias ir didžiausias bangos ilgiai
Kad įtampa vystytųsi per saulės elemento PN jungtį. krintanti spinduliuotė turi viršyti juostos tarpo energiją. Skirtingoms medžiagoms tai skiriasi. Siliciui, kuris yra dažniausiai naudojama saulės elementams, naudojama 1,11 elektronvoltų. Vienas elektronų voltas = 1,6 × 10-19 džaulių, taigi juostos tarpo energija yra 1,78 × 10-19 džauliai. Pertvarkant Planko lygtį ir sprendžiant bangos ilgį, nurodoma šviesos bangos ilgis, atitinkantis šią energiją:
w = \ frac {hc} {E} = 1 110 \ text {nanometers} = 1,11 \ times 10 ^ {- 6} \ text {meter}
Matomos šviesos bangos ilgiai būna tarp 400 ir 700 nm, todėl silicio saulės elementų pralaidumo bangos ilgis yra labai artimas infraraudonųjų spindulių diapazone. Bet kuriai ilgesnio bangos ilgio spinduliuotei, pavyzdžiui, mikrobangoms ir radijo bangoms, trūksta energijos, kad iš saulės elementų būtų gaminama elektra.
Bet kuris fotonas, kurio energija yra didesnė nei 1,11 eV, gali išstumti elektroną iš silicio atomo ir nusiųsti jį į laidumo juostą. Tačiau praktiškai labai trumpo bangos ilgio fotonai (kurių energija yra didesnė nei apie 3 eV) siunčia elektronus iš laidumo juostos ir tampa nebegalimi dirbti. Viršutinė bangos ilgio riba norint gauti naudingą darbą iš fotoelektrinio efekto saulės baterijose apie saulės elemento struktūrą, jo statybai naudojamas medžiagas ir grandinę charakteristikos.
Saulės energijos bangos ilgis ir ląstelių efektyvumas
Trumpai tariant, PV elementai yra jautrūs viso spektro šviesai tol, kol bangos ilgis viršija ląstelei naudojamos medžiagos juostos tarpą, tačiau švaistoma itin trumpo bangos ilgio šviesa. Tai yra vienas iš veiksnių, darančių įtaką saulės elementų efektyvumui. Kitas yra puslaidininkinės medžiagos storis. Jei fotonai turi praeiti ilgą kelią per medžiagą, jie praranda energiją susidūrę su kitomis dalelėmis ir gali neužtekti energijos elektronui išstumti.
Trečias veiksnys, turintis įtakos efektyvumui, yra saulės elemento atspindėjimas. Tam tikra krintančios šviesos dalis atšoka nuo ląstelės paviršiaus, nesusidūrusi su elektronu. Siekdami sumažinti nuostolius dėl atspindžio ir padidinti efektyvumą, saulės elementų gamintojai paprastai padengia ląsteles neatspindinčia, šviesą sugeriančia medžiaga. Štai kodėl saulės elementai paprastai yra juodi.