Сонячні елементи залежать від явища, відомого як фотоелектричний ефект, відкритого французьким фізиком Александром Едмоном Беккерелем (1820-1891). Це пов’язано з фотоефектом, явищем, при якому електрони викидаються з провідного матеріалу, коли на нього світить світло. Альберт Ейнштейн (1879-1955) виграв Нобелівську премію з фізики 1921 року за пояснення цього явища, використовуючи квантові принципи, нові на той час. На відміну від фотоефекту, фотоелектричний ефект відбувається на межі двох напівпровідникових пластин, а не на одній провідній пластині. Жодні електрони фактично не викидаються, коли світить світло. Натомість вони накопичуються вздовж межі, створюючи напругу. Коли ви з'єднаєте дві пластини провідним проводом, струм буде протікати в дроті.
Великим досягненням Ейнштейна і причиною, за яку він став лауреатом Нобелівської премії, було визнання того, що енергія електронів, викинутих із фотоелектрична пластина залежала - не від інтенсивності світла (амплітуди), як передбачала хвильова теорія, - а від частоти, яка є оберненою до довжина хвилі. Чим коротша довжина хвилі падаючого світла, тим вища частота світла і більше енергії, яку мають викинуті електрони. Так само фотоелементи чутливі до довжини хвилі і краще реагують на сонячне світло в деяких частинах спектра, ніж інші. Щоб зрозуміти, чому, це допомагає переглянути пояснення Ейнштейна щодо фотоефекту.
Вплив довжини хвилі сонячної енергії на електронну енергію
Пояснення Ейнштейна фотоефекту допомогло встановити квантову модель світла. Кожен пучок світла, званий фотоном, має характерну енергію, що визначається частотою його вібрацій. Енергія (E) фотона задана законом Планка: E = hf, де f - частота, h - постійна Планка (6,626 × 10−34 джоуль ∙ секунда). Незважаючи на те, що фотон має природу частинок, він також має хвильові характеристики, і для будь-якої хвилі його частота є зворотною довжиною його хвилі (яка тут позначається w). Якщо швидкість світла c, то f = c / w, і закон Планка можна записати:
E = \ frac {hc} {w}
Коли фотони падають на провідний матеріал, вони стикаються з електронами в окремих атомах. Якщо фотони мають достатньо енергії, вони вибивають електрони в найвіддаленіших оболонках. Потім ці електрони можуть вільно циркулювати через матеріал. Залежно від енергії падаючих фотонів, вони можуть взагалі викинутися з матеріалу.
Відповідно до закону Планка, енергія падаючих фотонів обернено пропорційна їх довжині хвилі. Короткохвильове випромінювання займає фіолетовий кінець спектру і включає ультрафіолетове випромінювання та гамма-промені. З іншого боку, довгохвильове випромінювання займає червоний кінець і включає інфрачервоне випромінювання, мікрохвилі та радіохвилі.
Сонячне світло містить цілий спектр випромінювання, але лише світло з досить короткою довжиною хвилі буде виробляти фотоелектричні або фотоелектричні ефекти. Це означає, що частина сонячного спектру корисна для виробництва електроенергії. Не має значення, наскільки яскравим або тьмяним є світло. Він просто повинен мати - як мінімум - довжину хвилі сонячних елементів. Високоенергетичне ультрафіолетове випромінювання може проникати в хмари, а це означає, що сонячні клітини повинні функціонувати в похмурі дні - і вони це роблять.
Робоча функція та розрив смуги
Фотон повинен мати мінімальне енергетичне значення, щоб збуджувати електрони настільки, щоб збити їх з їх орбіталей і дозволити їм вільно рухатися. У провідниковому матеріалі ця мінімальна енергія називається робочою функцією, і вона відрізняється для кожного провідного матеріалу. Кінетична енергія електрона, що виділяється при зіткненні з фотоном, дорівнює енергії фотона за мінусом робочої функції.
У фотоелектричній комірці два різні напівпровідникові матеріали сплавляються, щоб створити те, що фізики називають PN-переходом. На практиці звичайно використовувати один матеріал, такий як кремній, і легувати його різними хімічними речовинами для створення цього з'єднання. Наприклад, легування кремнію сурмою створює напівпровідник типу N, а легування бором - напівпровідник типу P. Електрони, вибиті з орбіт, збираються поблизу PN-переходу і збільшують напругу на ньому. Порогова енергія для вибивання електрона з його орбіти і в зону провідності відома як зонна зона. Це схоже на робочу функцію.
Мінімальна та максимальна довжини хвиль
Для розвитку напруги на PN-переході сонячного елемента. падаюче випромінювання повинно перевищувати енергію зазору. Це різне для різних матеріалів. Це 1,11 електрон-вольта для кремнію, що є матеріалом, який найчастіше використовується для сонячних елементів. Один електрон-вольт = 1,6 × 10-19 джоулів, отже, енергія зазору становить 1,78 × 10-19 джоулів. Переставляючи рівняння Планка та вирішуючи довжину хвилі, ви дізнаєтесь довжину хвилі світла, яка відповідає цій енергії:
w = \ frac {hc} {E} = 1110 \ text {нанометрів} = 1,11 \ раз 10 ^ {- 6} \ text {метрів}
Довжини хвиль видимого світла виникають між 400 і 700 нм, тому довжина смуги пропускання для кремнієвих сонячних елементів знаходиться в дуже близькому інфрачервоному діапазоні. Будь-якому випромінюванню з більшою довжиною хвилі, такому як мікрохвилі та радіохвилі, не вистачає енергії для виробництва електрики з сонячної батареї.
Будь-який фотон з енергією більше 1,11 еВ може витіснити електрон з атома кремнію і направити його в зону провідності. На практиці, однак, фотони з дуже короткою хвилею (з енергією понад 3 еВ) направляють електрони з зони провідності і роблять їх недоступними для роботи. Верхній поріг довжини хвилі для отримання корисної роботи від фотоефекту на сонячних панелях залежить про будову сонячної батареї, матеріали, що використовуються при її побудові, та схему характеристики.
Довжина хвилі сонячної енергії та ефективність клітин
Коротше кажучи, PV-елементи чутливі до світла з усього спектра, поки довжина хвилі перевищує ширину забороненої зони матеріалу, що використовується для клітини, але надзвичайно коротке світло хвилі витрачається даремно. Це один із факторів, що впливає на ефективність сонячних елементів. Інша - товщина напівпровідникового матеріалу. Якщо фотони повинні пройти довгий шлях через матеріал, вони втрачають енергію через зіткнення з іншими частинками і можуть не мати достатньо енергії, щоб зрушити електрон.
Третім фактором, що впливає на ефективність, є відбивна здатність сонячного елемента. Певна частка падаючого світла відскакує від поверхні клітини, не натрапивши на електрон. Щоб зменшити втрати від відбивної здатності та підвищити ефективність, виробники сонячних батарей зазвичай покривають клітини невідбивальним світлопоглинаючим матеріалом. Ось чому сонячні елементи, як правило, чорні.