Effekten av bølgelengde på solceller

Solceller er avhengige av et fenomen kjent som den solcelleanvendte effekten, oppdaget av den franske fysikeren Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Det er relatert til den fotoelektriske effekten, et fenomen der elektroner kastes ut fra et ledende materiale når lys skinner på det. Albert Einstein (1879-1955) vant 1921 Nobelprisen i fysikk for sin forklaring på dette fenomenet, ved å bruke kvanteprinsipper som var nye på den tiden. I motsetning til den fotoelektriske effekten, finner den fotovoltaiske effekten sted på grensen til to halvledende plater, ikke på en enkelt ledende plate. Ingen elektroner kastes faktisk ut når lys skinner. I stedet akkumuleres de langs grensen for å skape en spenning. Når du kobler de to platene til en ledende ledning, vil det strømme strøm i ledningen.

Einsteins store prestasjon, og grunnen til at han vant Nobelprisen, var å erkjenne at energien til elektronene som kastes ut fra en fotoelektrisk plate var avhengig - ikke av lysintensitet (amplitude), som bølgeteori forutsa - men av frekvens, som er den omvendte av bølgelengde. Jo kortere bølgelengden til innfallende lys er, desto høyere er frekvensen av lyset og jo mer energi besitter de utkastede elektronene. På samme måte er solceller følsomme for bølgelengde og reagerer bedre på sollys i noen deler av spekteret enn andre. For å forstå hvorfor hjelper det å gjennomgå Einsteins forklaring på den fotoelektriske effekten.

Einsteins forklaring på den fotoelektriske effekten bidro til å etablere kvantemodellen for lys. Hver lysbunt, kalt foton, har en karakteristisk energi bestemt av vibrasjonsfrekvensen. Energien (E) til et foton er gitt av Plancks lov: E = hf, hvor f er frekvensen og h er Plancks konstant (6,626 × 10⁻³⁴ joule ∙ sekund). Til tross for at et foton har en partikkelart, har det også bølgefunksjoner, og for enhver bølge er frekvensen den gjensidige av bølgelengden (som her er betegnet med w). Hvis lysets hastighet er c, så kan f = c / w, og Plancks lov kan skrives:

Når fotoner faller inn på et ledende materiale, kolliderer de med elektronene i de enkelte atomer. Hvis fotonene har nok energi, slår de ut elektronene i de ytterste skallene. Disse elektronene kan da sirkulere gjennom materialet. Avhengig av energien til de innfallende fotonene, kan de bli kastet ut av materialet helt.

I følge Plancks lov er energien til de innfallende fotonene omvendt proporsjonal med bølgelengden. Kort bølgelengdestråling opptar den fiolette enden av spekteret og inkluderer ultrafiolett stråling og gammastråler. På den annen side inntar stråling med lang bølgelengde den røde enden og inkluderer infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger.

Sollys inneholder et helt spektrum av stråling, men bare lys med kort nok bølgelengde vil produsere de fotoelektriske eller solcelleeffektene. Dette betyr at en del av solspekteret er nyttig for å generere elektrisitet. Det spiller ingen rolle hvor lyst eller svakt lyset er. Det må bare - i det minste - ha solcellebølgelengden. Høyenergi ultrafiolett stråling kan trenge gjennom skyer, noe som betyr at solceller skal fungere på overskyede dager - og det gjør de.

Et foton må ha en minimumsenergiverdi for å opphisse elektroner nok til å banke dem fra deres orbitaler og la dem bevege seg fritt. I et ledende materiale kalles denne minimumsenergien arbeidsfunksjonen, og den er forskjellig for hvert ledende materiale. Den kinetiske energien til et elektron som frigjøres ved kollisjon med et foton er lik energien til fotonet minus arbeidsfunksjonen.

I en solcelle er to forskjellige halvledende materialer smeltet sammen for å skape det fysikere kaller et PN-kryss. I praksis er det vanlig å bruke et enkelt materiale, for eksempel silisium, og å dope det med forskjellige kjemikalier for å skape dette krysset. For eksempel skaper doping silisium med antimon en N-type halvleder, og doping med bor gjør en P-type halvleder. Elektroner som er slått ut av banene, samler seg i nærheten av PN-krysset og øker spenningen over den. Terskelenergien for å slå et elektron ut av banen og inn i ledningsbåndet er kjent som båndgapet. Det ligner på arbeidsfunksjonen.

For at en spenning skal utvikle seg over PN-krysset til en solcelle. hendelsesstrålingen må overstige båndgapetergien. Dette er forskjellig for forskjellige materialer. Det er 1,11 elektronvolt for silisium, som er materialet som brukes oftest til solceller. Én elektronvolt = 1,6 × 10^-19 joule, så båndgapsenergien er 1,78 × 10^-19 joules. Omorganisering av Planks ligning og løsning av bølgelengde forteller deg bølgelengden til lys som tilsvarer denne energien:

Bølgelengdene for synlig lys forekommer mellom 400 og 700 nm, så båndbreddebølgelengden for silisiumsolceller er i det nærmeste infrarøde området. Enhver stråling med lengre bølgelengde, for eksempel mikrobølger og radiobølger, mangler energi til å produsere elektrisitet fra en solcelle.

Enhver foton med en energi større enn 1,11 eV kan løsne et elektron fra et silisiumatom og sende det inn i ledningsbåndet. I praksis sender imidlertid meget korte bølgelengdefotoner (med en energi på mer enn ca. 3 eV) elektroner ut av ledningsbåndet og gjør dem utilgjengelige for å utføre arbeid. Den øvre bølgelengde terskelen for å få nyttig arbeid fra den fotoelektriske effekten i solcellepaneler avhenger på strukturen til solcellen, materialene som brukes i konstruksjonen og kretsen kjennetegn.

Kort sagt, PV-celler er følsomme for lys fra hele spekteret så lenge bølgelengden er over båndgapet til materialet som brukes til cellen, men ekstremt kort bølgelengdelys blir kastet bort. Dette er en av faktorene som påvirker solcelleeffektiviteten. En annen er tykkelsen på det halvledende materialet. Hvis fotoner må reise langt gjennom materialet, mister de energi gjennom kollisjoner med andre partikler og har kanskje ikke nok energi til å løsne et elektron.

En tredje faktor som påvirker effektiviteten er solcellens reflektivitet. En viss brøkdel av innfallende lys spretter av overflaten av cellen uten å møte et elektron. For å redusere tap fra reflektivitet og øke effektiviteten, belegger solcelleprodusenter vanligvis cellene med et ikke-reflekterende, lysabsorberende materiale. Dette er grunnen til at solceller vanligvis er svarte.