Dalgaboyunun Fotovoltaik Hücreler Üzerindeki Etkisi

Güneş pilleri, Fransız fizikçi Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) tarafından keşfedilen, fotovoltaik etki olarak bilinen bir olguya bağlıdır. Bu, üzerine ışık parladığında iletken bir malzemeden elektronların fırlatıldığı bir fenomen olan fotoelektrik etki ile ilgilidir. Albert Einstein (1879-1955), o zamanlar yeni olan kuantum ilkelerini kullanarak bu fenomeni açıkladığı için 1921 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. Fotoelektrik etkiden farklı olarak, fotovoltaik etki, tek bir iletken plaka üzerinde değil, iki yarı iletken plakanın sınırında gerçekleşir. Işık parladığında aslında hiçbir elektron fırlatılmaz. Bunun yerine, bir voltaj oluşturmak için sınır boyunca birikir. İki plakayı iletken bir tel ile bağladığınızda, telde bir akım akacaktır.

Einstein'ın büyük başarısı ve Nobel Ödülü'nü kazanmasının nedeni, elektronların enerjisinin bir cisimden fırlatıldığını fark etmesiydi. fotoelektrik plaka, dalga teorisinin öngördüğü gibi ışık yoğunluğuna (genlik) değil, frekansın tersi olan frekansa bağlıydı. dalga boyu. Gelen ışığın dalga boyu ne kadar kısa olursa, ışığın frekansı o kadar yüksek ve fırlatılan elektronların sahip olduğu enerji o kadar fazla olur. Aynı şekilde, fotovoltaik hücreler dalga boyuna duyarlıdır ve spektrumun bazı bölümlerinde diğerlerine göre güneş ışığına daha iyi yanıt verir. Nedenini anlamak için Einstein'ın fotoelektrik etkiyle ilgili açıklamasını gözden geçirmek yardımcı olur.

Einstein'ın fotoelektrik etkiyle ilgili açıklaması, ışığın kuantum modelini oluşturmaya yardımcı oldu. Foton adı verilen her ışık demeti, titreşim frekansı tarafından belirlenen karakteristik bir enerjiye sahiptir. Bir fotonun enerjisi (E) Planck yasası ile verilir: E = hf, burada f frekans ve h Planck sabitidir (6.626 × 10⁻³⁴ joule (saniye). Bir fotonun parçacık doğasına sahip olmasına rağmen, aynı zamanda dalga özelliklerine de sahiptir ve herhangi bir dalga için frekansı, dalga boyunun tersidir (burada w ile gösterilir). Işık hızı c ise, o zaman f = c/w ve Planck yasası yazılabilir:

Fotonlar iletken bir malzeme üzerine geldiğinde, tek tek atomlardaki elektronlarla çarpışırlar. Fotonlar yeterli enerjiye sahipse, en dıştaki kabuklardaki elektronları devre dışı bırakırlar. Bu elektronlar daha sonra malzeme içinde dolaşmakta serbesttir. Gelen fotonların enerjisine bağlı olarak, materyalden tamamen çıkarılabilirler.

Planck yasasına göre, gelen fotonların enerjisi dalga boylarıyla ters orantılıdır. Kısa dalga boylu radyasyon, spektrumun mor ucunu kaplar ve ultraviyole radyasyonu ve gama ışınlarını içerir. Öte yandan, uzun dalga boylu radyasyon kırmızı ucu kaplar ve kızılötesi radyasyonu, mikrodalgaları ve radyo dalgalarını içerir.

Güneş ışığı tüm radyasyon spektrumunu içerir, ancak yalnızca yeterince kısa dalga boyuna sahip ışık fotoelektrik veya fotovoltaik etkiler üretecektir. Bu, güneş spektrumunun bir kısmının elektrik üretmek için yararlı olduğu anlamına gelir. Işığın ne kadar parlak veya loş olduğu önemli değil. Sadece - minimumda - güneş pili dalga boyuna sahip olmalıdır. Yüksek enerjili ultraviyole radyasyon bulutlara nüfuz edebilir, bu da güneş pillerinin bulutlu günlerde çalışması gerektiği anlamına gelir - ve çalışırlar.

Bir fotonun, elektronları yörüngelerinden koparacak ve serbestçe hareket etmelerine izin verecek kadar heyecanlandırmak için minimum bir enerji değerine sahip olması gerekir. İletken bir malzemede bu minimum enerjiye iş fonksiyonu denir ve her iletken malzeme için farklıdır. Bir fotonla çarpışma sonucu açığa çıkan elektronun kinetik enerjisi, fotonun enerjisi eksi iş fonksiyonuna eşittir.

Bir fotovoltaik hücrede, fizikçilerin PN-bağlantısı dediği şeyi oluşturmak için iki farklı yarı iletken malzeme kaynaştırılır. Uygulamada, silikon gibi tek bir malzeme kullanmak ve bu bağlantıyı oluşturmak için onu farklı kimyasallarla doldurmak yaygındır. Örneğin, silisyumun antimonla dopingi, N-tipi bir yarı iletken oluşturur ve bor ile doping, P-tipi bir yarı iletken yapar. Yörüngelerinden kopan elektronlar, PN-kavşağının yakınında toplanır ve üzerindeki voltajı arttırır. Bir elektronu yörüngesinden çıkarıp iletim bandına iten eşik enerjisi, bant aralığı olarak bilinir. Çalışma işlevine benzer.

Bir güneş pilinin PN-bağlantısı boyunca bir voltajın gelişmesi için. gelen radyasyon bant aralığı enerjisini aşmalıdır. Bu, farklı malzemeler için farklıdır. Güneş pilleri için en sık kullanılan malzeme olan silikon için 1,11 elektron volttur. Bir elektron volt = 1,6 × 10^-19 joule, yani bant aralığı enerjisi 1.78 × 10^-19 joule. Plank denklemini yeniden düzenlemek ve dalga boyunu çözmek size bu enerjiye karşılık gelen ışığın dalga boyunu söyler:

Görünür ışığın dalga boyları 400 ile 700 nm arasında meydana gelir, bu nedenle silikon güneş pilleri için bant genişliği dalga boyu çok yakın kızılötesi aralığındadır. Mikrodalgalar ve radyo dalgaları gibi daha uzun dalga boyuna sahip herhangi bir radyasyon, bir güneş pilinden elektrik üretecek enerjiden yoksundur.

1.11 eV'den daha büyük bir enerjiye sahip herhangi bir foton, bir silikon atomundan bir elektronu yerinden çıkarabilir ve onu iletim bandına gönderebilir. Ancak pratikte, çok kısa dalga boylu fotonlar (yaklaşık 3 eV'den daha büyük bir enerjiye sahip) elektronları iletim bandının dışına gönderir ve onları iş yapamaz hale getirir. Güneş panellerinde fotoelektrik etkiden faydalı iş elde etmek için üst dalga boyu eşiği, güneş pilinin yapısı, yapımında kullanılan malzemeler ve devresi hakkında özellikler.

Kısacası, PV hücreleri, dalga boyu hücre için kullanılan malzemenin bant aralığının üzerinde olduğu sürece tüm spektrumdan gelen ışığa duyarlıdır, ancak son derece kısa dalga boylu ışık israf edilir. Bu, güneş pili verimliliğini etkileyen faktörlerden biridir. Bir diğeri yarı iletken malzemenin kalınlığıdır. Fotonlar malzeme içinde uzun bir yol kat etmek zorunda kalırlarsa, diğer parçacıklarla çarpışmalar yoluyla enerji kaybederler ve bir elektronu yerinden çıkarmak için yeterli enerjiye sahip olmayabilirler.

Verimliliği etkileyen üçüncü bir faktör, güneş pilinin yansıtma özelliğidir. Gelen ışığın belirli bir kısmı, bir elektronla karşılaşmadan hücrenin yüzeyinden yansır. Yansıtıcılıktan kaynaklanan kayıpları azaltmak ve verimliliği artırmak için güneş pili üreticileri, hücreleri genellikle yansıtıcı olmayan, ışığı soğuran bir malzemeyle kaplar. Bu nedenle güneş pilleri genellikle siyahtır.