Содержание
- Влияние длины волны солнечной энергии на энергию электронов
- Рабочая функция и разрыв группы
- Минимальная и максимальная длина волны
- Длина волны солнечной энергии и эффективность ячейки
Солнечные элементы зависят от явления, известного как фотоэлектрический эффект, открытого французским физиком Александром Эдмондом Беккерелем (1820-1891). Это связано с фотоэлектрическим эффектом, явлением, посредством которого электроны выбрасываются из проводящего материала, когда на него падает свет. Альберт Эйнштейн (1879-1955) получил Нобелевскую премию по физике 1921 года за объяснение этого явления, используя квантовые принципы, которые были новыми в то время. В отличие от фотоэлектрического эффекта, фотоэлектрический эффект имеет место на границе двух полупроводниковых пластин, а не на одной проводящей пластине. Электроны на самом деле не излучаются, когда светит свет. Вместо этого они накапливаются вдоль границы, чтобы создать напряжение. Когда вы соединяете две пластины проводником, в проводе будет течь ток.
Большим достижением Эйнштейна, и причиной, по которой он получил Нобелевскую премию, было признание того, что энергия электронов, выбрасываемых из фотоэлектрической пластины, зависела не от интенсивности света (амплитуды), как предсказывала волновая теория, а от частоты, которая обратная длина волны. Чем короче длина волны падающего света, тем выше частота света и тем больше энергии обладают испускаемыми электронами. Таким же образом фотоэлектрические элементы чувствительны к длине волны и лучше реагируют на солнечный свет в некоторых частях спектра, чем в других. Чтобы понять почему, полезно рассмотреть объяснение Эйнштейна фотоэлектрического эффекта.
Влияние длины волны солнечной энергии на энергию электронов
Объяснение Эйнштейном фотоэффекта помогло установить квантовую модель света. Каждый пучок света, называемый фотоном, имеет характерную энергию, определяемую частотой его колебаний. Энергия (E) фотона определяется законом Планка: E = hf, где f - частота, а h - постоянная Планка (6,626 × 10).−34 джоуль ∙ второй). Несмотря на тот факт, что фотон имеет природу частиц, он также имеет волновые характеристики, и для любой волны его частота является обратной величиной его длины волны (которая здесь обозначается как w). Если скорость света равна c, то f = c / w, и закон Планка можно записать так:
E = hc / w
Когда фотоны падают на проводящий материал, они сталкиваются с электронами в отдельных атомах. Если фотоны имеют достаточно энергии, они выбивают электроны из внешних оболочек. Эти электроны могут свободно циркулировать через материал. В зависимости от энергии падающих фотонов они могут быть полностью выброшены из материала.
Согласно закону Планка, энергия падающих фотонов обратно пропорциональна их длине волны. Коротковолновое излучение занимает фиолетовый конец спектра и включает в себя ультрафиолетовое излучение и гамма-излучение. С другой стороны, длинноволновое излучение занимает красный конец и включает инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны.
Солнечный свет содержит весь спектр излучения, но только свет с достаточно короткой длиной волны будет производить фотоэлектрические или фотоэлектрические эффекты. Это означает, что часть солнечного спектра полезна для выработки электроэнергии. Неважно, насколько яркий или тусклый свет. Он просто должен иметь - как минимум - длину волны солнечного элемента. Ультрафиолетовое излучение высокой энергии может проникать в облака, что означает, что солнечные элементы должны функционировать в облачные дни - и они работают.
Рабочая функция и разрыв группы
Фотон должен иметь минимальное значение энергии, чтобы возбудить электроны настолько, чтобы выбить их с орбиталей и позволить им свободно двигаться. В проводящем материале эта минимальная энергия называется работой выхода, и она различна для каждого проводящего материала. Кинетическая энергия электрона, выпущенного при столкновении с фотоном, равна энергии фотона за вычетом работы выхода.
В фотоэлектрической ячейке два различных полупроводниковых материала слиты, чтобы создать то, что физики называют PN-переходом. На практике принято использовать один материал, например кремний, и добавлять в него различные химические вещества для создания этого соединения. Например, легирование кремния сурьмой создает полупроводник N-типа, а легирование бором - полупроводник P-типа. Электроны, выбитые с их орбит, собираются возле PN-перехода и увеличивают напряжение на нем. Пороговая энергия для выбивания электрона с его орбиты в зону проводимости называется запрещенной зоной. Это похоже на работу.
Минимальная и максимальная длина волны
Для развития напряжения через PN-переход солнечного элемента. падающее излучение должно превышать энергию запрещенной зоны. Это отличается для разных материалов. Это составляет 1,11 электрон-вольт для кремния, который является материалом, наиболее часто используемым для солнечных элементов. Одно электронное вольт = 1,6 × 10-19 джоулей, поэтому энергия запрещенной зоны равна 1,78 × 10-19 джоулей. Переупорядочение уравнения Планка и решение для длины волны говорит вам о длине волны света, которая соответствует этой энергии:
W = HC / E = 1110 нм (1,11 × 10-6 метров)
Длина волны видимого света составляет от 400 до 700 нм, поэтому длина полосы пропускания кремниевых солнечных элементов находится в очень ближнем инфракрасном диапазоне. Любое излучение с большей длиной волны, такое как микроволны и радиоволны, испытывает недостаток энергии для производства электроэнергии из солнечного элемента.
Любой фотон с энергией более 1,11 эВ может выбить электрон из атома кремния и попасть в зону проводимости. На практике, однако, электроны с очень короткой длиной волны фотонов (с энергией более 3 эВ) выходят из зоны проводимости и делают их недоступными для работы. Верхний порог длины волны для получения полезной работы от фотоэффекта в солнечных панелях зависит от структуры солнечного элемента, материалов, используемых в его конструкции, и характеристик схемы.
Длина волны солнечной энергии и эффективность ячейки
Короче говоря, фотоэлементы чувствительны к свету всего спектра, пока длина волны выше ширины запрещенной зоны материала, используемого для ячейки, но свет с очень короткой длиной волны пропадает. Это один из факторов, который влияет на эффективность солнечных элементов. Другой является толщина полупроводникового материала. Если фотонам необходимо пройти длинный путь через материал, они теряют энергию в результате столкновений с другими частицами и могут не иметь достаточно энергии, чтобы выбить электрон.
Третьим фактором, влияющим на эффективность, является отражательная способность солнечного элемента. Определенная часть падающего света отражается от поверхности клетки, не встречая электрона. Чтобы уменьшить потери от отражательной способности и повысить эффективность, производители солнечных элементов обычно покрывают элементы неотражающим светопоглощающим материалом. Вот почему солнечные элементы обычно черные.