Vplyv vlnovej dĺžky na fotovoltaické články

Solárne články závisia od javu známeho ako fotovoltaický efekt, ktorý objavil francúzsky fyzik Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Súvisí to s fotoelektrickým javom, javom, pri ktorom sú elektróny emitované z vodivého materiálu, keď na neho svieti svetlo. Albert Einstein (1879-1955) získal v roku 1921 Nobelovu cenu za fyziku za vysvetlenie tohto javu pomocou kvantových princípov, ktoré boli v tom čase nové. Na rozdiel od fotoelektrického javu sa fotovoltaický efekt odohráva na hranici dvoch polovodičových dosiek, nie na jednej vodivej doske. Keď svieti svetlo, v skutočnosti nie sú vysunuté žiadne elektróny. Namiesto toho sa hromadia pozdĺž hranice a vytvárajú napätie. Keď spojíte dve platne s vodivým drôtom, bude v drôte tiecť prúd.

Einsteinovým veľkým úspechom a dôvodom, pre ktorý získal Nobelovu cenu, bolo uznanie, že energia elektrónov vystrekovaných z fotoelektrická doska závisela - nie od intenzity svetla (amplitúdy), ako predpovedala vlnová teória - ale od frekvencie, ktorá je inverznou hodnotou vlnová dĺžka. Čím kratšia je vlnová dĺžka dopadajúceho svetla, tým vyššia je frekvencia svetla a tým viac energie obsahuje vysunuté elektróny. Rovnakým spôsobom sú fotovoltaické články citlivé na vlnovú dĺžku a v niektorých častiach spektra lepšie reagujú na slnečné svetlo ako iné. Aby sme pochopili prečo, pomôže to preskúmať Einsteinovo vysvetlenie fotoelektrického javu.

Einsteinovo vysvetlenie fotoelektrického javu pomohlo ustanoviť kvantový model svetla. Každý zväzok svetla, nazývaný fotón, má charakteristickú energiu určenú frekvenciou vibrácií. Energia (E) fotónu je daná Planckovým zákonom: E = hf, kde f je frekvencia a h je Planckova konštanta (6 626 × 10⁻³⁴ joule ∙ druhý). Napriek skutočnosti, že fotón má časticovú povahu, má tiež vlnové charakteristiky a pre každú vlnu je jeho frekvencia prevrátená s jeho vlnovou dĺžkou (ktorá sa tu označuje ako w). Ak je rýchlosť svetla c, potom f = c / w a dá sa napísať Planckov zákon:

Keď fotóny dopadajú na vodivý materiál, zrážajú sa s elektrónmi v jednotlivých atómoch. Ak majú fotóny dostatok energie, vyrazia elektróny v najvzdialenejších obaloch. Tieto elektróny potom voľne cirkulujú cez materiál. V závislosti od energie dopadajúcich fotónov môžu byť z materiálu úplne vylúčené.

Podľa Planckovho zákona je energia dopadajúcich fotónov nepriamo úmerná ich vlnovej dĺžke. Žiarenie krátkych vlnových dĺžok zaberá fialový koniec spektra a zahŕňa ultrafialové žiarenie a gama lúče. Na druhej strane žiarenie s dlhou vlnovou dĺžkou zaberá červený koniec a zahŕňa infračervené žiarenie, mikrovlnné rúry a rádiové vlny.

Slnečné svetlo obsahuje celé spektrum žiarenia, ale iba svetlo s dostatočne krátkou vlnovou dĺžkou bude vyvolávať fotoelektrické alebo fotovoltaické efekty. To znamená, že časť slnečného spektra je užitočná na výrobu elektriny. Nezáleží na tom, aké je svetlo jasné alebo tlmené. Musí to mať - minimálne - vlnovú dĺžku solárnych článkov. Vysokoenergetické ultrafialové žiarenie môže prenikať do mrakov, čo znamená, že solárne články by mali fungovať v zamračených dňoch - a fungujú.

Fotón musí mať minimálnu energetickú hodnotu na to, aby excitoval elektróny natoľko, aby ich zrazil z obežnej dráhy a umožnil im voľný pohyb. Vo vodivom materiáli sa táto minimálna energia nazýva pracovná funkcia a pre každý vodivý materiál je iná. Kinetická energia elektrónu uvoľneného zrážkou s fotónom sa rovná energii fotónu mínus pracovná funkcia.

Vo fotovoltaickom článku sú spojené dva rôzne polovodivé materiály, ktoré vytvárajú to, čo fyzici nazývajú prechod PN. V praxi je bežné používať jediný materiál, napríklad kremík, a dopovať ho rôznymi chemikáliami, aby sa vytvoril tento spoj. Napríklad dopingový kremík s antimónom vytvára polovodič typu N a doping s bórom polovodič typu P. Elektróny vyrazené z ich dráh sa zhromažďujú v blízkosti križovatky PN a zvyšujú napätie na ňom. Prahová energia na vyrazenie elektrónu z jeho obežnej dráhy a do vodivého pásma je známa ako pásmová medzera. Je to podobné ako s pracovnou funkciou.

Pre vznik napätia cez PN prechod solárneho článku. dopadajúce žiarenie musí presahovať energiu pásma. To sa líši pre rôzne materiály. Je to 1,11 elektrónvoltu pre kremík, čo je materiál používaný najčastejšie pre solárne články. Jeden elektrónový volt = 1,6 × 10^-19 joulov, takže energia medzery v pásme je 1,78 × 10^-19 joulov. Preskupenie Plankovej rovnice a riešenie pre vlnovú dĺžku vám povie vlnová dĺžka svetla, ktorá zodpovedá tejto energii:

Vlnové dĺžky viditeľného svetla sa vyskytujú medzi 400 a 700 nm, takže vlnová dĺžka pásma pre kremíkové solárne články je vo veľmi blízkej infračervenej oblasti. Akékoľvek žiarenie s dlhšou vlnovou dĺžkou, ako napríklad mikrovlnné rúry a rádiové vlny, nemá dostatok energie na výrobu elektriny zo solárneho článku.

Akýkoľvek fotón s energiou väčšou ako 1,11 eV môže vytlačiť elektrón z atómu kremíka a odoslať ho do vodivého pásma. V praxi však fotóny veľmi krátkej vlnovej dĺžky (s energiou viac ako asi 3 eV) vysielajú elektróny mimo vodivé pásmo a znemožňujú im prácu. Horný prah vlnovej dĺžky na získanie užitočnej práce z fotoelektrického javu v solárnych paneloch závisí na štruktúre solárneho článku, materiáloch použitých pri jeho konštrukcii a okruhu charakteristiky.

Stručne povedané, FV články sú citlivé na svetlo z celého spektra, pokiaľ je vlnová dĺžka nad medzou pásma materiálu použitého pre túto bunku, ale extrémne krátkou vlnovou dĺžkou sa plytvá. Toto je jeden z faktorov, ktorý ovplyvňuje účinnosť solárnych článkov. Ďalším je hrúbka polovodičového materiálu. Ak musia fotóny cestovať cez materiál dlhú cestu, strácajú energiu zrážkami s inými časticami a nemusia mať dostatok energie na vytlačenie elektrónu.

Tretím faktorom ovplyvňujúcim účinnosť je odrazivosť solárneho článku. Určitá časť dopadajúceho svetla sa odráža od povrchu bunky bez toho, aby narazila na elektrón. Aby sa znížili straty z odrazu a zvýšila účinnosť, výrobcovia solárnych článkov obvykle potiahnu články nereflexným, svetlo absorbujúcim materiálom. Preto sú solárne články zvyčajne čierne.