Солнечные элементы зависят от явления, известного как фотоэлектрический эффект, открытого французским физиком Александром Эдмоном Беккерелем (1820–1891). Это связано с фотоэлектрическим эффектом, явлением, при котором электроны выбрасываются из проводящего материала, когда на него падает свет. Альберт Эйнштейн (1879-1955) получил Нобелевскую премию по физике 1921 года за объяснение этого явления с использованием квантовых принципов, которые были новыми в то время. В отличие от фотоэффекта, фотоэлектрический эффект имеет место на границе двух полупроводниковых пластин, а не на одной проводящей пластине. Когда светит свет, на самом деле электроны не выбрасываются. Вместо этого они накапливаются вдоль границы, создавая напряжение. Когда вы соединяете две пластины токопроводящим проводом, в проводе будет течь ток.
Большим достижением Эйнштейна и причиной, по которой он получил Нобелевскую премию, было признание того, что энергия электронов, выброшенных из фотоэлектрическая пластина зависела - не от силы света (амплитуды), как предсказывала волновая теория, - а от частоты, которая является обратной величиной длина волны. Чем короче длина волны падающего света, тем выше частота света и тем больше энергии обладают выброшенные электроны. Точно так же фотоэлектрические элементы чувствительны к длине волны и лучше реагируют на солнечный свет в одних частях спектра, чем в других. Чтобы понять почему, полезно рассмотреть объяснение фотоэлектрического эффекта Эйнштейном.
Влияние длины волны солнечной энергии на энергию электронов
Объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта помогло установить квантовую модель света. Каждый световой пучок, называемый фотоном, имеет характерную энергию, определяемую его частотой колебаний. Энергия (E) фотона определяется законом Планка: E = hf, где f - частота, а h - постоянная Планка (6,626 × 10−34 джоуль ∙ секунда). Несмотря на то, что фотон имеет частичную природу, он также имеет волновые характеристики, и для любой волны его частота обратно пропорциональна ее длине волны (которая здесь обозначается w). Если скорость света равна c, то f = c / w, и можно записать закон Планка:
E = \ frac {hc} {w}
Когда фотоны падают на проводящий материал, они сталкиваются с электронами в отдельных атомах. Если у фотонов достаточно энергии, они выбивают электроны во внешних оболочках. Эти электроны могут свободно циркулировать в материале. В зависимости от энергии падающих фотонов они могут полностью выбрасываться из материала.
Согласно закону Планка, энергия падающих фотонов обратно пропорциональна их длине волны. Коротковолновое излучение занимает фиолетовую часть спектра и включает ультрафиолетовое излучение и гамма-лучи. С другой стороны, длинноволновое излучение занимает красный конец и включает инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны.
Солнечный свет содержит весь спектр излучения, но только свет с достаточно короткой длиной волны будет производить фотоэлектрические или фотоэлектрические эффекты. Это означает, что часть солнечного спектра используется для выработки электроэнергии. Неважно, насколько яркий или тусклый свет. Он просто должен иметь - как минимум - длину волны солнечного элемента. Ультрафиолетовое излучение высокой энергии может проникать сквозь облака, а это означает, что солнечные элементы должны работать в пасмурные дни - и они работают.
Рабочая функция и ширина запрещенной зоны
Фотон должен иметь минимальное значение энергии, чтобы возбуждать электроны в достаточной степени, чтобы сбить их с орбиталей и позволить им свободно перемещаться. В проводящем материале эта минимальная энергия называется работой выхода, и она различна для каждого проводящего материала. Кинетическая энергия электрона, высвобождаемого при столкновении с фотоном, равна энергии фотона за вычетом работы выхода.
В фотоэлементе два разных полупроводниковых материала сливаются с образованием того, что физики называют PN-переходом. На практике обычно используют один материал, такой как силикон, и добавляют в него различные химические вещества, чтобы создать это соединение. Например, легирование кремния сурьмой создает полупроводник N-типа, а легирование бором создает полупроводник P-типа. Электроны, выбитые со своих орбит, собираются возле PN-перехода и увеличивают напряжение на нем. Пороговая энергия для выбивания электрона с орбиты в зону проводимости известна как запрещенная зона. Это похоже на рабочую функцию.
Минимальная и максимальная длина волны
Чтобы напряжение развивалось на PN-переходе солнечного элемента. падающее излучение должно превышать энергию запрещенной зоны. Это отличается для разных материалов. Это 1,11 электрон-вольт для кремния, который чаще всего используется для солнечных элементов. Один электрон-вольт = 1,6 × 10-19 джоулей, поэтому ширина запрещенной зоны составляет 1,78 × 10-19 джоули. Преобразование уравнения Планка и решение для длины волны подскажет длину волны света, которая соответствует этой энергии:
w = \ frac {hc} {E} = 1,110 \ text {нанометров} = 1.11 \ times 10 ^ {- 6} \ text {метров}
Длины волн видимого света составляют от 400 до 700 нм, поэтому длина волны полосы пропускания кремниевых солнечных элементов находится в очень близком инфракрасном диапазоне. Любое излучение с большей длиной волны, такое как микроволны и радиоволны, не имеет энергии для производства электричества из солнечного элемента.
Любой фотон с энергией более 1,11 эВ может вытеснить электрон из атома кремния и отправить его в зону проводимости. Однако на практике фотоны с очень короткой длиной волны (с энергией более 3 эВ) выводят электроны за пределы зоны проводимости и делают их недоступными для работы. Верхний порог длины волны для получения полезной работы от фотоэлектрического эффекта в солнечных панелях зависит от о конструкции солнечного элемента, материалах, использованных в его конструкции, и схеме характеристики.
Длина волны солнечной энергии и эффективность элементов
Короче говоря, фотоэлектрические элементы чувствительны к свету всего спектра до тех пор, пока длина волны превышает ширину запрещенной зоны материала, используемого для элемента, но свет с очень короткой длиной волны тратится впустую. Это один из факторов, влияющих на эффективность солнечных элементов. Другой - это толщина полупроводникового материала. Если фотоны должны пройти долгий путь через материал, они теряют энергию из-за столкновений с другими частицами и могут не иметь достаточно энергии, чтобы сместить электрон.
Третий фактор, влияющий на эффективность, - это отражательная способность солнечного элемента. Определенная часть падающего света отражается от поверхности ячейки, не встречая электронов. Чтобы уменьшить потери от отражательной способности и повысить эффективность, производители солнечных элементов обычно покрывают элементы неотражающим светопоглощающим материалом. Вот почему солнечные элементы обычно черные.