Vpliv valovne dolžine na fotonapetostne celice

Sončne celice so odvisne od pojava, znanega kot fotonapetostni učinek, ki ga je odkril francoski fizik Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Povezan je s fotoelektričnim učinkom, pojavom, pri katerem se iz prevodnega materiala izločijo elektroni, ko nanj sije svetloba. Albert Einstein (1879-1955) je leta 1921 dobil Nobelovo nagrado za fiziko za svojo razlago tega pojava z uporabo kvantnih načel, ki so bila takrat nova. Za razliko od fotoelektričnega učinka se fotovoltaični učinek izvaja na meji dveh polprevodniških plošč, ne na eni sami prevodni plošči. Ko sije svetloba, se elektroni dejansko ne izločijo. Namesto tega se kopičijo vzdolž meje, da ustvarijo napetost. Ko dve plošči povežete s prevodno žico, bo v žici tekel tok.

Einsteinov velik dosežek in razlog, zaradi katerega je dobil Nobelovo nagrado, je bil, da je priznal, da je energija elektronov, izvrženih iz fotoelektrična plošča odvisna - ne od jakosti svetlobe (amplitude), kot je napovedovala teorija valov - ampak od frekvence, ki je obratna od valovna dolžina. Krajša je valovna dolžina vpadajoče svetlobe, večja je frekvenca svetlobe in več energije imajo odmetani elektroni. Fotovoltaične celice so na enak način občutljive na valovno dolžino in se v nekaterih delih spektra bolje odzivajo na sončno svetlobo kot druge. Da bi razumeli, zakaj je vpogled v Einsteinovo razlago fotoelektričnega učinka.

Einsteinova razlaga fotoelektričnega učinka je pomagala vzpostaviti kvantni model svetlobe. Vsak svetlobni snop, imenovan foton, ima značilno energijo, ki jo določa njegova frekvenca vibracij. Energija (E) fotona je podana po Planckovem zakonu: E = hf, kjer je f frekvenca, h pa Planckova konstanta (6,626 × 10⁻³⁴ džul ∙ sekunda). Kljub temu, da ima foton naravo delcev, ima tudi valovne značilnosti, pri katerem koli valu pa je njegova frekvenca recipročna njegova valovna dolžina (ki je tukaj označena z w). Če je svetlobna hitrost c, potem je f = c / w in lahko zapišemo Planckov zakon:

Ko fotoni padejo na prevodni material, trčijo z elektroni v posameznih atomih. Če imajo fotoni dovolj energije, izbijejo elektrone v najbolj oddaljenih lupinah. Ti elektroni nato prosto krožijo skozi material. Glede na energijo vpadnih fotonov se lahko v celoti izločijo iz materiala.

Po Planckovem zakonu je energija vpadnih fotonov obratno sorazmerna njihovi valovni dolžini. Kratkovalovno sevanje zaseda vijolični konec spektra in vključuje ultravijolično sevanje in gama žarke. Po drugi strani sevanje z dolgimi valovi zaseda rdeči konec in vključuje infrardeče sevanje, mikrovalovne pečice in radijske valove.

Sončna svetloba vsebuje celoten spekter sevanja, a le svetloba z dovolj kratko valovno dolžino bo povzročila fotoelektrične ali fotonapetostne učinke. To pomeni, da je del sončnega spektra koristen za proizvodnjo električne energije. Ni pomembno, kako svetla ali slaba je svetloba. Imeti mora - vsaj - valovno dolžino sončne celice. Visokoenergijsko ultravijolično sevanje lahko prodre v oblake, kar pomeni, da bi sončne celice morale delovati v oblačnih dneh - in to tudi počnejo.

Foton mora imeti najmanjšo energijsko vrednost, da vzbudi elektrone, da jih lahko zruši s svojih orbital in jim omogoči prosto gibanje. V prevodnem materialu se ta najmanjša energija imenuje delovna funkcija in je za vsak prevodni material drugačna. Kinetična energija elektrona, ki se sprosti ob trku s fotonom, je enaka energiji fotona minus delovna funkcija.

V fotovoltaični celici se zlijeta dva različna polprevodniška materiala, da se ustvari tisto, kar fiziki imenujejo PN-spoj. V praksi je običajno uporabiti en sam material, kot je silicij, in ga za dodajanje različnih kemikalij ustvariti ta spoj. Na primer, doping silicija z antimonom ustvari polprevodnik tipa N, doping z borom pa polprevodnik tipa P. Elektroni, izbiti iz svojih orbit, se zbirajo v bližini PN-križišča in povečajo napetost na njem. Prag energije, da elektron izbije iz njegove orbite v prevodni pas, je znan kot pasovna reža. Podobno je delovni funkciji.

Za razvoj napetosti na PN-spoju sončne celice. vpadno sevanje mora presegati energijo pasovne reže. Za različne materiale je to drugače. Za silicij znaša 1,11 elektrona voltov, ki se najpogosteje uporablja za sončne celice. En elektronski volt = 1,6 × 10^-19 džula, torej je energija pasovne reže 1,78 × 10^-19 džuli. Preureditev Plankove enačbe in reševanje za valovno dolžino pove valovno dolžino svetlobe, ki ustreza tej energiji:

Valovne dolžine vidne svetlobe se pojavljajo med 400 in 700 nm, zato je pasovna širina valovne dolžine za silicijeve sončne celice v zelo bližnjem infrardečem območju. Vsakemu sevanju z daljšo valovno dolžino, kot so mikrovalovi in ​​radijski valovi, primanjkuje energije za proizvodnjo električne energije iz sončne celice.

Vsak foton z energijo večjo od 1,11 eV lahko iztisne elektron iz silicijevega atoma in ga pošlje v prevodni pas. V praksi pa fotoni z zelo kratko valovno dolžino (z energijo več kot približno 3 eV) pošljejo elektrone ven iz prevodnega pasu in jih onemogočijo za delo. Zgornji prag valovne dolžine je koristen za uporabo fotoelektričnega učinka v sončnih kolektorjih o strukturi sončne celice, materialih, uporabljenih pri njeni konstrukciji, in vezju značilnosti.

Skratka, PV celice so občutljive na svetlobo iz celotnega spektra, če je valovna dolžina nad pasovno režo materiala, ki se uporablja za celico, vendar se svetloba s kratkimi valovnimi dolžinami zapravi. To je eden od dejavnikov, ki vpliva na učinkovitost sončnih celic. Druga je debelina polprevodniškega materiala. Če morajo fotoni prepotovati dolgo pot skozi material, izgubijo energijo zaradi trkov z drugimi delci in morda nimajo dovolj energije, da bi izrinili elektron.

Tretji dejavnik, ki vpliva na učinkovitost, je odbojnost sončne celice. Določen del vpadne svetlobe se odbije od površine celice, ne da bi pri tem naletel na elektron. Da bi zmanjšali izgube zaradi odbojnosti in povečali učinkovitost, proizvajalci sončnih celic običajno premažejo celice z neodsevnim materialom, ki absorbira svetlobo. Zato so sončne celice običajno črne.