Efectul lungimii de undă asupra celulelor fotovoltaice

Celulele solare depind de un fenomen cunoscut sub numele de efect fotovoltaic, descoperit de fizicianul francez Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Este legat de efectul fotoelectric, fenomen prin care electronii sunt expulzați dintr-un material conductor când lumina strălucește pe el. Albert Einstein (1879-1955) a câștigat Premiul Nobel pentru fizică din 1921 pentru explicația acestui fenomen, folosind principii cuantice care erau noi la acea vreme. Spre deosebire de efectul fotoelectric, efectul fotovoltaic are loc la limita a două plăci semiconductoare, nu pe o singură placă conductoare. Niciun electron nu este de fapt evacuat atunci când lumina strălucește. În schimb, se acumulează de-a lungul limitei pentru a crea o tensiune. Când conectați cele două plăci cu un fir conductor, un curent va curge în fir.

Marea realizare a lui Einstein și motivul pentru care a câștigat Premiul Nobel, a fost să recunoască faptul că energia electronilor ejectați dintr-un placa fotoelectrică depindea - nu de intensitatea luminii (amplitudinea), așa cum a prezis teoria undelor - ci de frecvență, care este inversul lungime de undă. Cu cât lungimea de undă a luminii incidente este mai mică, cu atât frecvența luminii este mai mare și cu atât mai multă energie posedată de electronii expulzați. În același mod, celulele fotovoltaice sunt sensibile la lungimea de undă și răspund mai bine la lumina soarelui în unele părți ale spectrului decât altele. Pentru a înțelege de ce, ajută la revizuirea explicației lui Einstein asupra efectului fotoelectric.

Explicația lui Einstein asupra efectului fotoelectric a ajutat la stabilirea modelului cuantic al luminii. Fiecare fascicul de lumină, numit foton, are o energie caracteristică determinată de frecvența sa de vibrații. Energia (E) a unui foton este dată de legea lui Planck: E = hf, unde f este frecvența și h este constanta lui Planck (6.626 × 10⁻³⁴ joule ∙ secundă). În ciuda faptului că un foton are o natură de particule, are și caracteristici de undă, iar pentru orice undă, frecvența sa este reciprocă a lungimii sale de undă (care este aici notată cu w). Dacă viteza luminii este c, atunci f = c / w, iar legea lui Planck poate fi scrisă:

Când fotonii sunt incidenți asupra unui material conductor, ei se ciocnesc cu electronii din atomii individuali. Dacă fotonii au suficientă energie, ei elimină electronii din cochiliile exterioare. Acești electroni sunt apoi liberi să circule prin material. În funcție de energia fotonilor incidenți, aceștia pot fi expulzați cu totul din material.

Conform legii lui Planck, energia fotonilor incidenți este invers proporțională cu lungimea lor de undă. Radiațiile cu lungime de undă scurtă ocupă capătul violet al spectrului și includ radiații ultraviolete și raze gamma. Pe de altă parte, radiația cu lungime de undă lungă ocupă capătul roșu și include radiații infraroșii, microunde și unde radio.

Lumina soarelui conține un întreg spectru de radiații, dar numai lumina cu o lungime de undă suficient de scurtă va produce efectele fotoelectrice sau fotovoltaice. Aceasta înseamnă că o parte a spectrului solar este utilă pentru generarea de energie electrică. Nu contează cât de strălucitoare sau de slabă este lumina. Trebuie doar să aibă - cel puțin - lungimea de undă a celulei solare. Radiațiile ultraviolete cu energie ridicată pot pătrunde în nori, ceea ce înseamnă că celulele solare ar trebui să funcționeze în zilele înnorate - și așa fac.

Un foton trebuie să aibă o valoare energetică minimă pentru a excita electronii suficient pentru a-i scoate din orbitalele lor și a le permite să se miște liber. Într-un material conductor, această energie minimă se numește funcția de lucru și este diferită pentru fiecare material conductor. Energia cinetică a unui electron eliberat prin coliziune cu un foton este egală cu energia fotonului minus funcția de lucru.

Într-o celulă fotovoltaică, două materiale semiconductoare diferite sunt fuzionate pentru a crea ceea ce fizicienii numesc joncțiune PN. În practică, este obișnuit să folosești un singur material, cum ar fi siliciu, și să-l droghezi cu diferite substanțe chimice pentru a crea această joncțiune. De exemplu, doparea siliciului cu antimoni creează un semiconductor de tip N, iar dopajul cu bor face un semiconductor de tip P. Electronii scoși din orbite se adună în apropierea joncțiunii PN și măresc tensiunea pe ea. Pragul de energie pentru a scoate un electron din orbita sa și în banda de conducție este cunoscut sub numele de band gap. Este similar cu funcția de lucru.

Pentru ca o tensiune să se dezvolte pe joncțiunea PN a unei celule solare. radiația incidentă trebuie să depășească energia gap gap. Acest lucru este diferit pentru diferite materiale. Este de 1,11 electroni volți pentru siliciu, care este materialul folosit cel mai des pentru celulele solare. Un electron volt = 1,6 × 10^-19 juli, deci energia gap gap este de 1,78 × 10^-19 jouli. Rearanjarea ecuației Plank și rezolvarea lungimii de undă vă indică lungimea de undă a luminii care corespunde acestei energii:

Lungimile de undă ale luminii vizibile apar între 400 și 700 nm, astfel încât lungimea de undă a lățimii de bandă pentru celulele solare din siliciu este în domeniul infraroșu foarte apropiat. Orice radiație cu o lungime de undă mai mare, cum ar fi microundele și undele radio, nu are energie pentru a produce electricitate dintr-o celulă solară.

Orice foton cu o energie mai mare de 1,11 eV poate disloca un electron dintr-un atom de siliciu și îl poate trimite în banda de conducere. Cu toate acestea, în practică, fotonii cu lungime de undă foarte scurtă (cu o energie mai mare de aproximativ 3 eV) trimit electronii în afara benzii de conducție și îi fac indisponibili pentru a lucra. Pragul lungimii de undă superioare pentru a obține lucrări utile din efectul fotoelectric din panourile solare depinde pe structura celulei solare, materialele utilizate în construcția ei și circuitul caracteristici.

Pe scurt, celulele fotovoltaice sunt sensibile la lumina din întregul spectru, atâta timp cât lungimea de undă este deasupra intervalului de bandă al materialului utilizat pentru celulă, dar lumina cu lungime de undă extrem de scurtă este irosită. Acesta este unul dintre factorii care afectează eficiența celulelor solare. Un altul este grosimea materialului semiconductor. Dacă fotonii trebuie să călătorească un drum lung prin material, ei pierd energie prin coliziuni cu alte particule și este posibil să nu aibă suficientă energie pentru a disloca un electron.

Un al treilea factor care afectează eficiența este reflectivitatea celulei solare. O anumită fracțiune de lumină incidentă sări de pe suprafața celulei fără a întâlni un electron. Pentru a reduce pierderile din reflexivitate și pentru a spori eficiența, producătorii de celule solare acoperă celulele de obicei cu un material care nu reflectă, absorbant de lumină. Acesta este motivul pentru care celulele solare sunt de obicei negre.