Viļņa garuma ietekme uz fotoelementiem

Saules elementi ir atkarīgi no parādības, kas pazīstama kā fotoelektriskais efekts, kuru atklāja franču fiziķis Aleksandrs Edmonds Bekerels (1820-1891). Tas ir saistīts ar fotoelektrisko efektu, fenomenu, ar kuru elektroni tiek izstumti no vadoša materiāla, kad uz to spīd gaisma. Alberts Einšteins (1879-1955) ieguva 1921. gada Nobela prēmiju fizikā par šī fenomena skaidrojumu, izmantojot tajā laikā jaunus kvantu principus. Atšķirībā no fotoelektriskā efekta fotoelektriskais efekts notiek uz divu pusvadītāju plākšņu robežas, nevis uz vienas vadošas plāksnes. Spīdot gaismai, elektroni faktiski netiek izstumti. Tā vietā tie uzkrājas gar robežu, lai izveidotu spriegumu. Savienojot abas plāksnes ar vadošu vadu, vadā plūst strāva.

Einšteina lielais sasniegums un iemesls, kāpēc viņš ieguva Nobela prēmiju, bija atzīt, ka elektronu enerģija, kas izstumta no fotoelektriskā plāksne bija atkarīga nevis no gaismas intensitātes (amplitūdas), kā paredzēja viļņu teorija, bet gan no frekvences, kas ir apgrieztā viļņa garums. Jo īsāks ir krītošās gaismas viļņa garums, jo augstāka ir gaismas frekvence un jo vairāk enerģijas piemīt izstumtajiem elektroniem. Tādā pašā veidā fotoelementu šūnas ir jutīgas pret viļņa garumu un labāk reaģē uz saules gaismu dažās spektra daļās nekā citas. Lai saprastu, kāpēc, tas palīdz pārskatīt Einšteina paskaidrojumu par fotoelektrisko efektu.

Einšteina fotoelektriskā efekta skaidrojums palīdzēja izveidot gaismas kvantu modeli. Katram gaismas saišķim, ko sauc par fotonu, ir raksturīga enerģija, ko nosaka tā vibrācijas biežums. Fotona enerģiju (E) izsaka Planka likums: E = hf, kur f ir frekvence un h ir Plankas konstante (6,626 × 10⁻³⁴ džouls ∙ otrais). Neskatoties uz to, ka fotonam ir daļiņu raksturs, tam ir arī viļņu īpašības, un jebkuram viļņam tā frekvence ir tā viļņa garuma (kuru šeit apzīmē ar w) abpusējs. Ja gaismas ātrums ir c, tad f = c / w un var uzrakstīt Plankas likumu:

Kad fotoni notiek uz vadoša materiāla, tie saduras ar elektroniem atsevišķos atomos. Ja fotoniem ir pietiekami daudz enerģijas, tie izsit ārējos apvalkos esošos elektronus. Pēc tam šie elektroni var brīvi cirkulēt pa materiālu. Atkarībā no krītošā fotona enerģijas tie var tikt izstumti no materiāla vispār.

Saskaņā ar Plankas likumu krītošo fotonu enerģija ir apgriezti proporcionāla to viļņa garumam. Īsviļņu starojums aizņem spektra violeto galu un ietver ultravioleto starojumu un gamma starus. No otras puses, gara viļņa starojums aizņem sarkano galu un ietver infrasarkano starojumu, mikroviļņu un radioviļņus.

Saules gaisma satur visu starojuma spektru, bet tikai gaisma ar pietiekami īsu viļņa garumu radīs fotoelektriskos vai fotoelektriskos efektus. Tas nozīmē, ka daļa saules spektra ir noderīga elektroenerģijas ražošanai. Nav svarīgi, cik spilgta vai vāja ir gaisma. Tam vienkārši jābūt - vismaz - saules šūnas viļņa garumam. Augstas enerģijas ultravioletais starojums var iekļūt mākoņos, kas nozīmē, ka mākoņainās dienās saules šūnām vajadzētu darboties - un tā arī notiek.

Fotonam jābūt ar minimālo enerģētisko vērtību, lai ierosinātu elektronus pietiekami, lai tos izsviestu no orbitālēm un ļautu tiem brīvi pārvietoties. Vadošā materiālā šo minimālo enerģiju sauc par darba funkciju, un katram vadošajam materiālam tā ir atšķirīga. Elektrona kinētiskā enerģija, ko atbrīvo sadursme ar fotonu, ir vienāda ar fotona enerģiju, atņemot darba funkciju.

Fotoelementu šūnā divi dažādi pusvadoši materiāli ir sapludināti, lai izveidotu to, ko fiziķi sauc par PN savienojumu. Praksē parasti ir izmantot vienu materiālu, piemēram, silīciju, un to savienot ar dažādām ķīmiskām vielām, lai izveidotu šo krustojumu. Piemēram, silīcija dopings ar antimonu rada N tipa pusvadītāju, un dopings ar bora palīdzību veido P tipa pusvadītāju. Elektroni, kas izsisti no savas orbītas, savācas pie PN krustojuma un palielina spriegumu tajā. Sliekšņa enerģija, lai izsistu elektronu no orbītas un vadīšanas joslā, ir pazīstama kā joslas plaisa. Tas ir līdzīgs darba funkcijai.

Lai spriegums attīstītos pāri saules elementa PN-krustojumam. krītošajam starojumam jāpārsniedz joslas spraugas enerģija. Dažādiem materiāliem tas ir atšķirīgs. Silīcijam, kas ir materiāls, ko visbiežāk izmanto saules baterijām, ir 1,11 elektrovolti. Viens elektrona volts = 1,6 × 10^-19 džoulos, tāpēc joslu spraugas enerģija ir 1,78 × 10^-19 džoulus. Plankas vienādojuma pārkārtošana un viļņa garuma atrisināšana norāda gaismas viļņa garumu, kas atbilst šai enerģijai:

Redzamās gaismas viļņu garumi rodas no 400 līdz 700 nm, tāpēc silīcija saules bateriju joslas platuma viļņu garums ir ļoti tuvu infrasarkanajā diapazonā. Jebkuram starojumam ar lielāku viļņa garumu, piemēram, mikroviļņu krāsnīm un radioviļņiem, trūkst enerģijas elektrības ražošanai no saules baterijām.

Jebkurš fotons, kura enerģija ir lielāka par 1,11 eV, var izstumt elektronu no silīcija atoma un nosūtīt to vadīšanas joslā. Tomēr praksē ļoti īsa viļņa garuma fotoni (kuru enerģija ir lielāka par aptuveni 3 eV) nosūta elektronus no vadīšanas joslas un padara tos pieejamus darbam. Augšējais viļņa garuma slieksnis, lai iegūtu noderīgu darbu no fotoelektriskā efekta saules paneļos par saules elementa struktūru, tā konstrukcijā izmantotajiem materiāliem un ķēdi īpašības.

Īsāk sakot, PV šūnas ir jutīgas pret gaismu no visa spektra, kamēr viļņa garums ir virs šūnai izmantotā materiāla joslas atstarpes, bet tiek izšķiesta ārkārtīgi īsa viļņa garuma gaisma. Tas ir viens no faktoriem, kas ietekmē saules bateriju efektivitāti. Vēl viens ir pusvadītāja materiāla biezums. Ja fotoniem ir jābrauc tāls ceļš pa materiālu, sadursmēs ar citām daļiņām tie zaudē enerģiju un, iespējams, viņiem nepietiek enerģijas, lai izspiedtu elektronu.

Trešais faktors, kas ietekmē efektivitāti, ir saules baterijas atstarojamība. Noteikta krītošās gaismas daļa atlec no šūnas virsmas, nesaskaroties ar elektronu. Lai samazinātu atstarošanas spējas zudumus un palielinātu efektivitāti, saules bateriju ražotāji parasti pārklāj šūnas ar nereaģējošu, gaismu absorbējošu materiālu. Tāpēc saules baterijas parasti ir melnas.