เซลล์แสงอาทิตย์ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์โซลาร์เซลล์ ซึ่งค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) มันเกี่ยวข้องกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนถูกขับออกจากวัสดุนำไฟฟ้าเมื่อมีแสงส่องลงมา Albert Einstein (1879-1955) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1921 จากการอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าว โดยใช้หลักการควอนตัมที่แปลกใหม่ในขณะนั้น ต่างจากเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก เอฟเฟกต์โฟโตโวลตาอิกเกิดขึ้นที่ขอบของแผ่นเซมิคอนดักเตอร์สองแผ่น ไม่ใช่บนเพลตนำไฟฟ้าแผ่นเดียว ไม่มีอิเลคตรอนถูกขับออกมาจริง ๆ เมื่อแสงส่องลงมา แต่จะสะสมตามแนวเขตเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าแทน เมื่อคุณเชื่อมต่อแผ่นทั้งสองแผ่นด้วยลวดนำไฟฟ้า กระแสจะไหลในเส้นลวด
ความสำเร็จอันยิ่งใหญ่ของ Einstein และเหตุผลที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลก็คือการตระหนักว่าพลังงานของอิเล็กตรอนที่พุ่งออกมาจาก โฟโตอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง (แอมพลิจูด) ตามที่ทฤษฎีคลื่นทำนายไว้ แต่ขึ้นอยู่กับความถี่ซึ่งเป็นค่าผกผันของ ความยาวคลื่น. ยิ่งความยาวคลื่นของแสงตกกระทบสั้นลง ความถี่ของแสงก็จะยิ่งสูงขึ้นและพลังงานที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนก็จะยิ่งมากขึ้น ในทำนองเดียวกัน เซลล์สุริยะมีความไวต่อความยาวคลื่นและตอบสนองต่อแสงแดดในบางส่วนของสเปกตรัมได้ดีกว่าส่วนอื่นๆ เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไม คุณควรทบทวนคำอธิบายของไอน์สไตน์เกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก
ผลกระทบของความยาวคลื่นพลังงานแสงอาทิตย์ต่อพลังงานอิเล็กตรอน
คำอธิบายของ Einstein เกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกช่วยสร้างแบบจำลองควอนตัมของแสง มัดของแสงแต่ละมัดเรียกว่าโฟตอนมีพลังงานลักษณะเฉพาะซึ่งกำหนดโดยความถี่ของการสั่นสะเทือน พลังงาน (E) ของโฟตอนถูกกำหนดโดยกฎของพลังค์: E = hf โดยที่ f คือความถี่และ h คือค่าคงที่ของพลังค์ (6.626 × 10−34 จูล∙วินาที) แม้ว่าโฟตอนจะมีลักษณะของอนุภาค แต่ก็มีลักษณะของคลื่นด้วย และสำหรับคลื่นใดๆ ความถี่ของมันคือส่วนกลับของความยาวคลื่นของมัน (ซึ่งเขียนแทนด้วย w) ถ้าความเร็วแสงเป็น c แล้ว f = c/w และกฎของพลังค์สามารถเขียนได้ดังนี้
E=\frac{hc}{w}
เมื่อโฟตอนตกกระทบกับวัสดุนำไฟฟ้า โฟตอนจะชนกับอิเล็กตรอนในแต่ละอะตอม ถ้าโฟตอนมีพลังงานเพียงพอ พวกมันจะผลักอิเล็กตรอนออกจากเปลือกนอกสุด อิเล็กตรอนเหล่านี้มีอิสระที่จะหมุนเวียนผ่านวัสดุ ขึ้นอยู่กับพลังงานของโฟตอนตกกระทบ พวกมันอาจถูกขับออกจากวัสดุทั้งหมด
ตามกฎของพลังค์ พลังงานของโฟตอนที่ตกกระทบนั้นแปรผกผันกับความยาวคลื่นของพวกมัน รังสีความยาวคลื่นสั้นตรงบริเวณปลายสีม่วงของสเปกตรัมและรวมถึงรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีแกมมา ในทางกลับกัน การแผ่รังสีความยาวคลื่นยาวตรงบริเวณปลายสีแดงและรวมถึงการแผ่รังสีอินฟราเรด ไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ
แสงแดดประกอบด้วยรังสีทั้งสเปกตรัม แต่แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นเพียงพอเท่านั้นที่จะทำให้เกิดโฟโตอิเล็กทริกหรือโฟโตโวลตาอิก ซึ่งหมายความว่าส่วนหนึ่งของสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์มีประโยชน์สำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้า ไม่ว่าแสงจะสว่างหรือสลัวแค่ไหน อย่างน้อยต้องมีความยาวคลื่นของเซลล์แสงอาทิตย์ รังสีอัลตราไวโอเลตพลังงานสูงสามารถทะลุผ่านเมฆได้ ซึ่งหมายความว่าเซลล์แสงอาทิตย์ควรทำงานในวันที่มีเมฆมาก และพวกเขาก็ทำได้
ฟังก์ชั่นการทำงานและ Band Gap
โฟตอนต้องมีค่าพลังงานต่ำสุดเพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนมากพอที่จะกระแทกพวกมันออกจากวงโคจรและปล่อยให้พวกมันเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ในวัสดุนำไฟฟ้า พลังงานต่ำสุดนี้เรียกว่าฟังก์ชันการทำงาน ซึ่งแตกต่างกันไปสำหรับวัสดุนำไฟฟ้าทุกชนิด พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากการชนกับโฟตอนมีค่าเท่ากับพลังงานของโฟตอนลบด้วยฟังก์ชันการทำงาน
ในเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองชนิดถูกหลอมรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า PN-junction ในทางปฏิบัติ เป็นเรื่องปกติที่จะใช้วัสดุชนิดเดียว เช่น ซิลิกอน และใช้สารเคมีชนิดต่างๆ ผสมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อนี้ ตัวอย่างเช่น ซิลิกอนยาสลบกับพลวงจะสร้างเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N และการเติมด้วยโบรอนจะทำให้เซมิคอนดักเตอร์ชนิด P อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากวงโคจรจะรวมตัวกันใกล้กับทางแยก PN และเพิ่มแรงดันไฟฟ้าข้ามมัน พลังงานธรณีประตูที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรและเข้าสู่แถบการนำไฟฟ้าเรียกว่าช่องว่างของแถบ มันคล้ายกับฟังก์ชั่นการทำงาน
ความยาวคลื่นต่ำสุดและสูงสุด
สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่จะพัฒนาข้ามทางแยก PN ของเซลล์แสงอาทิตย์ รังสีที่ตกกระทบจะต้องเกินพลังงานช่องว่างแถบ ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามวัสดุต่างๆ คือ 1.11 อิเล็กตรอนโวลต์สำหรับซิลิคอน ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ หนึ่งอิเล็กตรอนโวลต์ = 1.6 × 10-19 จูล ดังนั้นพลังงานช่องว่างของแถบคือ 1.78 × 10-19 จูล การจัดเรียงสมการของ Plank ใหม่และการแก้หาความยาวคลื่นจะบอกความยาวคลื่นของแสงที่สอดคล้องกับพลังงานนี้:
w=\frac{hc}{E}=1,110\text{ nanometers}=1.11\times 10^{-6}\text{ meters}
ความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้เกิดขึ้นระหว่าง 400 ถึง 700 นาโนเมตร ดังนั้นความยาวคลื่นแบนด์วิดท์สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนจึงอยู่ในช่วงอินฟราเรดใกล้มาก รังสีใดๆ ที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า เช่น ไมโครเวฟและคลื่นวิทยุ จะขาดพลังงานในการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์
โฟตอนใด ๆ ที่มีพลังงานมากกว่า 1.11 eV สามารถขับอิเล็กตรอนออกจากอะตอมซิลิกอนและส่งไปยังแถบการนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ โฟตอนความยาวคลื่นสั้นมาก (ที่มีพลังงานมากกว่า 3 eV) จะส่งอิเล็กตรอนออกจากแถบการนำไฟฟ้าและทำให้พวกมันใช้งานไม่ได้ เกณฑ์ความยาวคลื่นด้านบนเพื่อให้ได้งานที่มีประโยชน์จากเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกในแผงโซลาร์เซลล์ เกี่ยวกับโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ วัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง และวงจร ลักษณะเฉพาะ.
ความยาวคลื่นพลังงานแสงอาทิตย์และประสิทธิภาพของเซลล์
กล่าวโดยสรุป เซลล์ PV มีความไวต่อแสงจากสเปกตรัมทั้งหมด ตราบใดที่ความยาวคลื่นอยู่เหนือช่องว่างแถบของวัสดุที่ใช้สำหรับเซลล์ แต่แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นมากจะสูญเปล่า นี่เป็นหนึ่งในปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ อีกประการหนึ่งคือความหนาของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ถ้าโฟตอนต้องเดินทางไกลผ่านวัสดุ พวกมันจะสูญเสียพลังงานจากการชนกับอนุภาคอื่นและอาจไม่มีพลังงานเพียงพอที่จะขับอิเล็กตรอน
ปัจจัยที่สามที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพคือการสะท้อนแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ แสงตกกระทบบางส่วนจะกระเด้งออกจากพื้นผิวเซลล์โดยไม่สัมผัสกับอิเล็กตรอน เพื่อลดการสูญเสียจากการสะท้อนแสงและเพิ่มประสิทธิภาพ ผู้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์มักจะเคลือบเซลล์ด้วยวัสดุดูดซับแสงที่ไม่สะท้อนแสง นี่คือเหตุผลที่เซลล์สุริยะมักเป็นสีดำ
