Ефекат таласне дужине на фотонапонске ћелије

Соларне ћелије зависе од феномена познатог као фотонапонски ефекат, који је открио француски физичар Алекандре Едмонд Бецкуерел (1820-1891). Повезан је са фотоелектричним ефектом, појавом којом се електрони избацују из проводног материјала када га обасја светлост. Алберт Ајнштајн (1879-1955) добио је 1921. Нобелову награду за физику за објашњење тог феномена, користећи квантне принципе који су у то време били нови. За разлику од фотоелектричног ефекта, фотонапонски ефекат се дешава на граници две полупроводничке плоче, а не на једној проводној плочи. Ниједан електрон се заправо не избацује када светлост сија. Уместо тога, акумулирају се дуж границе да би створили напон. Када две плоче повежете проводном жицом, у жици ће тећи струја.

Ајнштајново велико достигнуће и разлог због којег је добио Нобелову награду било је препознати да је енергија електрона избачених из фотоелектрична плоча је зависила - не од интензитета светлости (амплитуде), како је теорија таласа предвидела - већ од фреквенције, која је обрнута од таласна дужина. Што је краћа таласна дужина упадне светлости, већа је фреквенција светлости и више енергије коју поседују избачени електрони. На исти начин, фотонапонске ћелије су осетљиве на таласну дужину и боље реагују на сунчеву светлост у неким деловима спектра него у другим. Да би се разумело зашто, помаже прегледање Ајнштајновог објашњења фотоелектричног ефекта.

Ајнштајново објашњење фотоелектричног ефекта помогло је успостављању квантног модела светлости. Сваки сноп светлости, који се назива фотон, има карактеристичну енергију одређену фреквенцијом вибрација. Енергија (Е) фотона дата је Планцковим законом: Е = хф, где је ф фреквенција, а х Планцкова константа (6.626 × 10⁻³⁴ џул ∙ секунда). Упркос чињеници да фотон има природу честица, он такође има таласне карактеристике, а за било који талас његова фреквенција је реципрочна таласне дужине (која се овде означава са в). Ако је брзина светлости ц, тада је ф = ц / в и може се написати Планцков закон:

Када фотони падну на проводни материјал, они се сударају са електронима у појединачним атомима. Ако фотони имају довољно енергије, избацују електроне у најудаљенијим љускама. Ови електрони тада слободно циркулишу кроз материјал. У зависности од енергије инцидентних фотона, они могу у потпуности бити избачени из материјала.

Према Планцковом закону, енергија упадајућих фотона је обрнуто пропорционална њиховој таласној дужини. Зрачење кратких таласних дужина заузима љубичасти крај спектра и укључује ултраљубичасто зрачење и гама зраке. С друге стране, дуготаласно зрачење заузима црвени крај и укључује инфрацрвено зрачење, микроталасе и радио таласе.

Сунчева светлост садржи читав спектар зрачења, али само светлост са довољно кратком таласном дужином производиће фотоелектричне или фотонапонске ефекте. То значи да је део сунчевог спектра користан за производњу електричне енергије. Није битно колико је светло светло или пригушено. Једноставно мора имати - најмање, таласну дужину соларне ћелије. Високоенергетско ултраљубичасто зрачење може продрети у облаке, што значи да би сунчане ћелије требало да функционишу у облачним данима - и то раде.

Фотон мора имати минималну енергетску вредност да побуди електроне довољно да их обори са њихових орбитала и омогући им слободно кретање. У проводном материјалу, та минимална енергија назива се радна функција и различита је за сваки проводни материјал. Кинетичка енергија електрона ослобођена сударом са фотоном једнака је енергији фотона минус функција рада.

У фотонапонској ћелији, два различита полупроводничка материјала су стопљена да би се створило оно што физичари називају ПН-спојем. У пракси је уобичајено користити један материјал, као што је силицијум, и налепити га различитим хемикалијама да би се створио овај спој. На пример, допинг силицијума антимоном ствара полупроводник Н-типа, а допинг бором полупроводник П-типа. Електрони избијени из својих орбита сакупљају се у близини ПН-споја и повећавају напон на њему. Праг енергије за избацивање електрона из његове орбите у проводни појас познат је као пропусни опсег. Слично је радној функцији.

За развој напона на ПН-споју соларне ћелије. упадно зрачење мора премашити енергију забрањеног подручја. Ово се разликује за различите материјале. То је 1,11 електрона волта за силицијум, који је материјал који се најчешће користи за соларне ћелије. Један електрон волт = 1,6 × 10^-19 џула, па је енергија запусног појаса 1,78 × 10^-19 џула. Преуређивање Планкове једначине и решавање за таласну дужину говори вам таласну дужину светлости која одговара овој енергији:

Таласне дужине видљиве светлости јављају се између 400 и 700 нм, па је таласна дужина пропусног опсега за силицијумске соларне ћелије у врло блиском инфрацрвеном опсегу. Сваком зрачењу дуже таласне дужине, попут микроталаса и радио таласа, недостаје енергије за производњу електричне енергије из соларне ћелије.

Било који фотон са енергијом већом од 1,11 еВ може да избаци електрон из атома силицијума и пошаље га у проводни појас. У пракси, међутим, фотони врло кратке таласне дужине (са енергијом већом од око 3 еВ) шаљу електроне ван проводног појаса и чине их недоступнима за рад. Горњи праг таласне дужине за добијање корисног рада од фотоелектричног ефекта на соларним панелима зависи на структуру соларне ћелије, материјале који се користе у њеној конструкцији и коло карактеристике.

Укратко, ПВ ћелије су осетљиве на светлост из целог спектра све док је таласна дужина изнад опсега појаса материјала који се користи за ћелију, али се светлост крајњих таласних дужина троши. Ово је један од фактора који утиче на ефикасност соларних ћелија. Друга је дебљина полупроводничког материјала. Ако фотони морају да прођу дуг пут кроз материјал, они губе енергију сударима са другим честицама и можда неће имати довољно енергије да истисну електрон.

Трећи фактор који утиче на ефикасност је рефлективност соларне ћелије. Одређени део упадне светлости одбија се од површине ћелије без наиласка на електрон. Да би смањили губитке због рефлексије и повећали ефикасност, произвођачи соларних ћелија обично премазују ћелије нерефлективним материјалом који апсорбује светлост. Због тога су соларне ћелије обично црне.