Zonnecellen zijn afhankelijk van een fenomeen dat bekend staat als het fotovoltaïsche effect, ontdekt door de Franse natuurkundige Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Het houdt verband met het foto-elektrisch effect, een fenomeen waarbij elektronen uit een geleidend materiaal worden uitgestoten wanneer er licht op schijnt. Albert Einstein (1879-1955) won in 1921 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn verklaring van dat fenomeen, met behulp van kwantumprincipes die toen nieuw waren. In tegenstelling tot het foto-elektrisch effect vindt het fotovoltaïsche effect plaats op de grens van twee halfgeleidende platen, niet op een enkele geleidende plaat. Er worden eigenlijk geen elektronen uitgestoten als er licht op schijnt. In plaats daarvan hopen ze zich op langs de grens om een spanning te creëren. Wanneer je de twee platen met een geleidende draad verbindt, zal er een stroom in de draad vloeien.
Einsteins grote prestatie, en de reden waarom hij de Nobelprijs won, was om te erkennen dat de energie van de elektronen die uit een foto-elektrische plaat was niet afhankelijk van de lichtintensiteit (amplitude), zoals de golftheorie voorspelde, maar van de frequentie, die het omgekeerde is van golflengte. Hoe korter de golflengte van invallend licht, hoe hoger de frequentie van het licht en hoe meer energie de uitgestoten elektronen bezitten. Op dezelfde manier zijn fotovoltaïsche cellen gevoelig voor golflengte en reageren ze beter op zonlicht in sommige delen van het spectrum dan andere. Om te begrijpen waarom, helpt het om Einsteins uitleg van het foto-elektrisch effect te bekijken.
Het effect van de golflengte van zonne-energie op elektronenenergie
Einsteins verklaring van het foto-elektrisch effect hielp bij het vaststellen van het kwantummodel van licht. Elke lichtbundel, een foton genaamd, heeft een karakteristieke energie die wordt bepaald door de trillingsfrequentie. De energie (E) van een foton wordt gegeven door de wet van Planck: E = hf, waarbij f de frequentie is en h de constante van Planck (6,626 × 10−34 joule∙seconde). Ondanks het feit dat een foton een deeltjeskarakter heeft, heeft het ook golfkarakteristieken, en voor elke golf is de frequentie het omgekeerde van zijn golflengte (die hier wordt aangeduid met w). Als de lichtsnelheid c is, dan is f = c/w, en kan de wet van Planck worden geschreven:
E=\frac{hc}{w}
Wanneer fotonen invallen op een geleidend materiaal, botsen ze met de elektronen in de afzonderlijke atomen. Als de fotonen voldoende energie hebben, schakelen ze de elektronen in de buitenste schillen uit. Deze elektronen kunnen dan vrij door het materiaal circuleren. Afhankelijk van de energie van de invallende fotonen kunnen ze helemaal uit het materiaal worden uitgestoten.
Volgens de wet van Planck is de energie van de invallende fotonen omgekeerd evenredig met hun golflengte. Kortgolvige straling beslaat het violette uiteinde van het spectrum en omvat ultraviolette straling en gammastraling. Aan de andere kant bezet langegolfstraling het rode uiteinde en omvat infraroodstraling, microgolven en radiogolven.
Zonlicht bevat een heel spectrum aan straling, maar alleen licht met een golflengte die kort genoeg is, zal de foto-elektrische of fotovoltaïsche effecten produceren. Dit betekent dat een deel van het zonnespectrum bruikbaar is voor het opwekken van elektriciteit. Het maakt niet uit hoe fel of zwak het licht is. Het moet alleen - op zijn minst - de zonnecelgolflengte hebben. Hoogenergetische ultraviolette straling kan wolken doordringen, wat betekent dat zonnecellen op bewolkte dagen zouden moeten functioneren - en dat doen ze ook.
Werkfunctie en bandkloof
Een foton moet een minimale energiewaarde hebben om elektronen voldoende te exciteren om ze uit hun orbitalen te slaan en ze vrij te laten bewegen. In een geleidend materiaal wordt deze minimale energie de werkfunctie genoemd en is voor elk geleidend materiaal anders. De kinetische energie van een elektron dat vrijkomt bij botsing met een foton is gelijk aan de energie van het foton minus de werkfunctie.
In een fotovoltaïsche cel worden twee verschillende halfgeleidende materialen samengesmolten tot wat natuurkundigen een PN-junctie noemen. In de praktijk is het gebruikelijk om een enkel materiaal, zoals silicium, te gebruiken en het met verschillende chemicaliën te dopen om deze verbinding te maken. Dotering van silicium met antimoon creëert bijvoorbeeld een N-type halfgeleider en dotering met boor maakt een P-type halfgeleider. Elektronen die uit hun baan zijn geslagen, verzamelen zich in de buurt van de PN-junctie en verhogen de spanning erover. De drempelenergie om een elektron uit zijn baan en in de geleidingsband te slaan, staat bekend als de bandgap. Het is vergelijkbaar met de werkfunctie.
Minimale en maximale golflengte
Om een spanning te ontwikkelen over de PN-junctie van een zonnecel. de invallende straling moet de bandgap-energie overschrijden. Dit is verschillend voor verschillende materialen. Het is 1,11 elektronvolt voor silicium, het materiaal dat het meest wordt gebruikt voor zonnecellen. Eén elektronvolt = 1,6 × 10-19 joule, dus de band gap-energie is 1,78 × 10-19 joule. Door de vergelijking van Plank te herschikken en op te lossen voor golflengte, krijg je de golflengte van het licht die overeenkomt met deze energie:
w=\frac{hc}{E}=1,110\text{ nanometers}=1,11\times 10^{-6}\text{ meter}
De golflengten van zichtbaar licht liggen tussen 400 en 700 nm, dus de bandbreedtegolflengte voor siliciumzonnecellen ligt in het zeer nabije infraroodbereik. Elke straling met een langere golflengte, zoals microgolven en radiogolven, mist de energie om elektriciteit uit een zonnecel te produceren.
Elk foton met een energie groter dan 1,11 eV kan een elektron losmaken van een siliciumatoom en het in de geleidingsband sturen. In de praktijk sturen fotonen met een zeer korte golflengte (met een energie van meer dan ongeveer 3 eV) echter elektronen uit de geleidingsband en maken ze niet meer beschikbaar om werk te doen. De bovenste golflengtedrempel om nuttig werk te krijgen van het foto-elektrische effect in zonnepanelen hangt af van over de structuur van de zonnecel, de gebruikte materialen in de constructie en het circuit the kenmerken.
Zonne-energiegolflengte en celefficiëntie
Kortom, PV-cellen zijn gevoelig voor licht uit het hele spectrum zolang de golflengte boven de bandgap van het voor de cel gebruikte materiaal ligt, maar extreem korte golflengte licht wordt verspild. Dit is een van de factoren die de efficiëntie van zonnecellen beïnvloeden. Een andere is de dikte van het halfgeleidende materiaal. Als fotonen een lange weg door het materiaal moeten afleggen, verliezen ze energie door botsingen met andere deeltjes en hebben ze mogelijk niet genoeg energie om een elektron los te maken.
Een derde factor die de efficiëntie beïnvloedt, is de reflectiviteit van de zonnecel. Een bepaalde fractie van invallend licht weerkaatst van het oppervlak van de cel zonder een elektron tegen te komen. Om de verliezen door reflectiviteit te verminderen en de efficiëntie te verhogen, coaten fabrikanten van zonnecellen de cellen gewoonlijk met een niet-reflecterend, lichtabsorberend materiaal. Daarom zijn zonnecellen meestal zwart.
