Effekten av våglängden på solceller

Solceller är beroende av ett fenomen som kallas den solcellerande effekten, upptäckt av den franska fysikern Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Det är relaterat till den fotoelektriska effekten, ett fenomen genom vilket elektroner matas ut från ett ledande material när ljus skiner på det. Albert Einstein (1879-1955) vann 1921 Nobelpriset i fysik för sin förklaring av detta fenomen med hjälp av kvantprinciper som var nya vid den tiden. Till skillnad från den fotoelektriska effekten sker den solcellerande effekten vid gränsen mellan två halvledande plattor, inte på en enda ledande platta. Inga elektroner matas ut när ljuset lyser. Istället ackumuleras de längs gränsen för att skapa en spänning. När du ansluter de två plattorna med en ledande ledning kommer en ström att strömma i ledningen.

Einsteins stora prestation och anledningen till att han vann Nobelpriset var att erkänna att energin hos elektronerna som matas ut från en fotoelektrisk platta berodde - inte på ljusintensitet (amplitud), som vågteorin förutspådde - utan på frekvensen, som är den inversa av våglängd. Ju kortare våglängden för infallande ljus är, desto högre frekvens av ljuset och desto mer energi besitter de utmatade elektronerna. På samma sätt är solceller känsliga för våglängd och svarar bättre på solljus i vissa delar av spektret än andra. För att förstå varför hjälper det att granska Einsteins förklaring av den fotoelektriska effekten.

Einsteins förklaring av den fotoelektriska effekten hjälpte till att upprätta kvantmodellen för ljus. Varje ljusbunt, kallad foton, har en karakteristisk energi bestämd av dess vibrationsfrekvens. En fotons energi (E) ges av Plancks lag: E = hf, där f är frekvensen och h är Plancks konstant (6,626 × 10⁻³⁴ joule ∙ sekund). Trots det faktum att en foton har en partikelnatur har den också vågegenskaper, och för varje våg är dess frekvens den ömsesidiga av dess våglängd (som här betecknas med w). Om ljusets hastighet är c ​​kan f = c / w och Plancks lag skrivas:

När fotoner infaller på ett ledande material kolliderar de med elektronerna i de enskilda atomerna. Om fotonerna har tillräckligt med energi slår de ut elektronerna i de yttersta skalen. Dessa elektroner är sedan fria att cirkulera genom materialet. Beroende på energin hos de infallande fotonerna kan de matas ut helt från materialet.

Enligt Plancks lag är energin hos de infallande fotonerna omvänt proportionell mot deras våglängd. Kortvågvågstrålning upptar den violetta änden av spektrumet och inkluderar ultraviolett strålning och gammastrålning. Å andra sidan upptar strålning med lång våglängd den röda änden och inkluderar infraröd strålning, mikrovågor och radiovågor.

Solljus innehåller ett helt spektrum av strålning, men endast ljus med tillräckligt kort våglängd ger de fotoelektriska eller solcellerna effekterna. Detta innebär att en del av solspektrumet är användbart för att generera el. Det spelar ingen roll hur starkt eller svagt ljuset är. Det måste bara ha - åtminstone - solcellens våglängd. Högenergi ultraviolett strålning kan tränga igenom moln, vilket innebär att solceller ska fungera på molniga dagar - och det gör de.

En foton måste ha ett minsta energivärde för att excitera elektroner tillräckligt för att slå dem från sina orbitaler och låta dem röra sig fritt. I ett ledande material kallas denna minsta energi för arbetsfunktionen, och den skiljer sig åt för varje ledande material. Den kinetiska energin hos en elektron som frigörs vid kollision med en foton är lika med fotonens energi minus arbetsfunktionen.

I en solcell smälter två olika halvledande material samman för att skapa vad fysiker kallar en PN-korsning. I praktiken är det vanligt att använda ett enda material, som kisel, och att döpa det med olika kemikalier för att skapa denna korsning. Till exempel skapar dopningskisel med antimon en halvledare av N-typ, och dopning med bor gör en halvledare av P-typ. Elektroner som slås ut ur sina banor samlas nära PN-korsningen och ökar spänningen över den. Tröskelenergin för att slå en elektron ur sin bana och in i ledningsbandet är känd som bandgapet. Det liknar arbetsfunktionen.

För att en spänning ska utvecklas över PN-korsningen mellan en solcell. den infallande strålningen måste överstiga bandgapsenergin. Detta skiljer sig från olika material. Det är 1,11 elektronvolt för kisel, vilket är det material som används oftast för solceller. En elektronvolt = 1,6 × 10^-19 joule, så bandgapsenergin är 1,78 × 10^-19 joules. Omorganisera Planks ekvation och lösa våglängden berättar för dig våglängden som motsvarar denna energi:

Våglängderna för synligt ljus förekommer mellan 400 och 700 nm, så bandbreddsvåglängden för kiselsolceller ligger inom det nära infraröda området. Varje strålning med längre våglängd, såsom mikrovågor och radiovågor, saknar energi för att producera elektricitet från en solcell.

Varje foton med en energi större än 1,11 eV kan lossa en elektron från en kiselatom och skicka den in i ledningsbandet. I praktiken skickar dock mycket korta våglängdsfotoner (med en energi mer än cirka 3 eV) elektroner bort från ledningsbandet och gör dem otillgängliga för att utföra arbete. Den övre våglängdsgränsen för att få nyttigt arbete från den fotoelektriska effekten i solpaneler beror på på solcellens struktur, de material som används i dess konstruktion och kretsen egenskaper.

Kort sagt, PV-celler är känsliga för ljus från hela spektrumet så länge våglängden ligger över bandgapet för det material som används för cellen, men extremt kort våglängdsljus slösas bort. Detta är en av de faktorer som påverkar solcellseffektiviteten. En annan är tjockleken på det halvledande materialet. Om fotoner måste färdas långt genom materialet förlorar de energi genom kollisioner med andra partiklar och kanske inte har tillräckligt med energi för att lossa en elektron.

En tredje faktor som påverkar effektiviteten är solcellens reflektionsförmåga. En viss bråkdel av infallande ljus studsar upp från cellens yta utan att stöta på en elektron. För att minska förluster från reflektionsförmåga och öka effektivitet, täcker solcellstillverkare vanligtvis cellerna med ett icke-reflekterande, ljusabsorberande material. Det är därför som solceller vanligtvis är svarta.