Wpływ długości fali na ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwa słoneczne opierają się na zjawisku znanym jako efekt fotowoltaiczny, odkrytym przez francuskiego fizyka Alexandre Edmonda Becquerela (1820-1891). Jest to związane z efektem fotoelektrycznym, zjawiskiem, w którym elektrony są wyrzucane z materiału przewodzącego, gdy pada na niego światło. Albert Einstein (1879-1955) otrzymał w 1921 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wyjaśnienie tego zjawiska przy użyciu nowych w tamtych czasach zasad kwantowych. W przeciwieństwie do efektu fotoelektrycznego, efekt fotowoltaiczny zachodzi na granicy dwóch płytek półprzewodnikowych, a nie na jednej płytce przewodzącej. Gdy światło świeci, żadne elektrony nie są wyrzucane. Zamiast tego gromadzą się wzdłuż granicy, aby wytworzyć napięcie. Kiedy połączysz dwie płytki przewodem przewodzącym, w przewodzie popłynie prąd.

Wielkim osiągnięciem Einsteina i powodem, dla którego otrzymał Nagrodę Nobla, było uznanie, że energia elektronów wyrzucanych z płyta fotoelektryczna zależała – nie od natężenia światła (amplitudy), jak przewidywała teoria falowa – ale od częstotliwości, która jest odwrotnością długość fali. Im krótsza długość fali padającego światła, tym wyższa częstotliwość światła i tym więcej energii posiadają wyrzucane elektrony. W ten sam sposób ogniwa fotowoltaiczne są wrażliwe na długość fali i lepiej reagują na światło słoneczne w niektórych częściach widma niż w innych. Aby zrozumieć dlaczego, warto przyjrzeć się wyjaśnieniu Einsteina na temat efektu fotoelektrycznego.

Wyjaśnienie Einsteina dotyczące efektu fotoelektrycznego pomogło w ustaleniu kwantowego modelu światła. Każda wiązka światła, zwana fotonem, ma charakterystyczną energię określoną przez częstotliwość drgań. Energia (E) fotonu jest dana przez prawo Plancka: E = hf, gdzie f jest częstotliwością, a h jest stałą Plancka (6,626 × 10⁻³⁴ dżul∙sekunda). Pomimo faktu, że foton ma naturę cząsteczkową, ma również charakterystykę falową, a dla każdej fali jego częstotliwość jest odwrotnością jego długości fali (która jest tutaj oznaczona przez w). Jeśli prędkość światła wynosi c, to f = c/w, a prawo Plancka można zapisać:

Kiedy fotony padają na materiał przewodzący, zderzają się z elektronami w poszczególnych atomach. Jeśli fotony mają wystarczającą energię, wybijają elektrony w najbardziej zewnętrznych powłokach. Te elektrony mogą wtedy swobodnie krążyć w materiale. W zależności od energii padających fotonów, mogą one zostać całkowicie wyrzucone z materiału.

Zgodnie z prawem Plancka energia padających fotonów jest odwrotnie proporcjonalna do ich długości fali. Promieniowanie krótkofalowe zajmuje fioletowy koniec widma i obejmuje promieniowanie ultrafioletowe i promienie gamma. Z drugiej strony promieniowanie o długich falach zajmuje czerwony koniec i obejmuje promieniowanie podczerwone, mikrofale i fale radiowe.

Światło słoneczne zawiera całe spektrum promieniowania, ale tylko światło o wystarczająco krótkiej długości fali może wywołać efekty fotoelektryczne lub fotowoltaiczne. Oznacza to, że część widma słonecznego jest przydatna do wytwarzania energii elektrycznej. Nie ma znaczenia, jak jasne lub przyciemnione jest światło. Musi po prostu mieć – co najmniej – długość fali ogniwa słonecznego. Wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe może przenikać przez chmury, co oznacza, że ​​ogniwa słoneczne powinny działać w pochmurne dni – i działają.

Foton musi mieć minimalną wartość energii, aby wzbudzić elektrony na tyle, aby wytrącić je z orbitali i umożliwić im swobodny ruch. W materiale przewodzącym ta minimalna energia nazywana jest funkcją pracy i jest inna dla każdego materiału przewodzącego. Energia kinetyczna elektronu uwolnionego w zderzeniu z fotonem jest równa energii fotonu minus praca.

W ogniwie fotowoltaicznym łączy się dwa różne materiały półprzewodnikowe, tworząc coś, co fizycy nazywają złączem PN. W praktyce często używa się jednego materiału, takiego jak krzem, i domieszkowania go różnymi chemikaliami, aby utworzyć to złącze. Na przykład domieszkowanie krzemu antymonem tworzy półprzewodnik typu N, a domieszkowanie borem tworzy półprzewodnik typu P. Elektrony wybite ze swoich orbit gromadzą się w pobliżu złącza PN i zwiększają na nim napięcie. Energia progowa do wybicia elektronu z jego orbity do pasma przewodnictwa jest znana jako przerwa wzbroniona. Jest podobny do funkcji pracy.

Aby napięcie rozwijało się na złączu PN ogniwa słonecznego. padające promieniowanie musi przekraczać energię przerwy wzbronionej. To różni się dla różnych materiałów. Jest to 1,11 elektronowoltów dla krzemu, który jest materiałem najczęściej używanym do produkcji ogniw słonecznych. Jeden elektron wolt = 1,6 × 10^-19 dżuli, więc energia przerwy energetycznej wynosi 1,78 × 10^-19 dżuli. Przekształcenie równania Planka i rozwiązanie długości fali powie ci długość fali światła, która odpowiada tej energii:

Długości fal światła widzialnego występują między 400 a 700 nm, więc szerokość pasma dla krzemowych ogniw słonecznych mieści się w zakresie bardzo bliskiej podczerwieni. Każdemu promieniowaniu o większej długości fali, takim jak mikrofale i fale radiowe, brakuje energii do wytworzenia energii elektrycznej z ogniwa słonecznego.

Każdy foton o energii większej niż 1,11 eV może usunąć elektron z atomu krzemu i wysłać go do pasma przewodnictwa. W praktyce jednak fotony o bardzo krótkich długościach fali (o energii powyżej około 3 eV) wysyłają elektrony poza pasmo przewodnictwa i uniemożliwiają im pracę. Zależy górny próg długości fali, aby uzyskać użyteczną pracę z efektu fotoelektrycznego w panelach słonecznych o strukturze ogniwa słonecznego, materiałach użytych do jego budowy i obwodzie cechy.

Krótko mówiąc, ogniwa fotowoltaiczne są wrażliwe na światło z całego spektrum, o ile długość fali znajduje się powyżej pasma zabronionego materiału użytego do ogniwa, ale światło o bardzo krótkiej długości fali jest marnowane. Jest to jeden z czynników wpływających na wydajność ogniw słonecznych. Inną jest grubość materiału półprzewodnikowego. Jeśli fotony muszą przebyć długą drogę przez materiał, tracą energię w zderzeniach z innymi cząsteczkami i mogą nie mieć wystarczającej energii, aby usunąć elektron.

Trzecim czynnikiem wpływającym na wydajność jest współczynnik odbicia ogniwa słonecznego. Pewna część padającego światła odbija się od powierzchni komórki bez napotkania elektronu. Aby zmniejszyć straty wynikające z odbicia i zwiększyć wydajność, producenci ogniw słonecznych zwykle pokrywają ogniwa nieodblaskowym, pochłaniającym światło materiałem. Dlatego ogniwa słoneczne są zwykle czarne.