Innehåll
- Effekten av solenergivåglängden på elektronenergi
- Arbetsfunktion och bandgap
- Lägsta och maximala våglängder
- Solenergins våglängd och celleffektivitet
Solceller är beroende av ett fenomen som kallas den fotovoltaiska 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 lyser på den. Albert Einstein (1879-1955) vann Nobelpriset i fysik 1921 för sin förklaring av detta fenomen med kvantprinciper som var nya vid den tiden. Till skillnad från den fotoelektriska effekten sker den fotovoltaiska effekten vid gränsen för två halvledande plattor, inte på en enda ledande platta. Inga elektroner matas ut när ljuset lyser. Istället samlas de längs gränsen för att skapa en spänning. När du ansluter de två plattorna med en ledande tråd kommer en ström att rinna i tråden.
Einsteins stora prestation, och anledningen till att han vann Nobelpriset, var att inse att energin i elektronerna som matas ut från en fotoelektrisk platta berodde - inte på ljusintensitet (amplitud), som vågteorin förutspådde - men på frekvens, vilket är det inversa av våglängden. Ju kortare våglängden för infallande ljus är, desto högre ljusets frekvens och desto mer energi har de utkastade elektronerna. På samma sätt är fotovoltaiska celler känsliga för våglängd och svarar bättre på solljus i vissa delar av spektrumet än andra. För att förstå varför hjälper det att granska Einsteins förklaring av den fotoelektriska effekten.
Effekten av solenergivåglängden på elektronenergi
Einsteins förklaring av den fotoelektriska effekten hjälpte till att fastställa kvantmodellen av ljus. Varje ljuspaket, kallad en foton, har en karakteristisk energi bestämd av dess vibrationsfrekvens. En fotons energi (E) ges av Plancks-lagen: 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 partikelkaraktär har den också vågegenskaper, och för varje våg är dess frekvens den ömsesidiga våglängden (som här betecknas med w). Om ljusets hastighet är c kan f = c / w och Plancks-lagen skrivas:
E = hc / w
När fotoner inträffar 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 då fria att cirkulera genom materialet. Beroende på energin från händelsefotonerna kan de matas ut helt från materialet.
Enligt Plancks lag är energin från händelsefotonerna omvänt proportionell mot deras våglängd. Strålning med kort våglängd upptar den violetta änden av spektrumet och inkluderar ultraviolett strålning och gammastrålar. 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 en tillräckligt kort våglängd kommer att ge de fotoelektriska eller fotovoltaiska effekterna. Detta innebär att en del av solspektrumet är användbart för att generera el. Det spelar ingen roll hur ljus eller ljus 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.
Arbetsfunktion och bandgap
En foton måste ha ett lägsta energivärde för att väcka elektroner tillräckligt för att slå dem från sina orbitaler och låta dem röra sig fritt. I ett ledande material kallas denna minsta energi arbetsfunktionen, och den är olika 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 fotovoltaisk cell smälts två olika halvledande material för att skapa vad fysiker kallar en PN-korsning. I praktiken är det vanligt att använda ett enda material, såsom 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 banorna samlas nära PN-korsningen och ökar spänningen över den. Tröskelnergin för att slå en elektron ur sin bana och in i ledningsbandet kallas bandgapet. Det liknar arbetsfunktionen.
Lägsta och maximala våglängder
För att en spänning ska utvecklas över PN-övergången till en solcell. incidentstrålningen måste överstiga bandgapsenergin. Detta skiljer sig åt olika material. Det är 1,11 elektronvolt för kisel, som är det material som oftast används för solceller. En elektronspänning = 1,6 × 10-19 joules, så bandgapsenergin är 1,78 × 10-19 joule. Omarrangera plankans ekvation och lösa för våglängd berättar ljusets våglängd som motsvarar denna energi:
w = hc / E = 1110 nanometer (1,11 × 10)-6 meter)
Våglängderna för synligt ljus förekommer mellan 400 och 700 nm, så bandbreddens våglängd för kiselsolceller ligger inom det mycket nära infraröda området. All strålning med en längre våglängd, t.ex. 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 den in i ledningsbandet. I praktiken rensar emellertid mycket korta våglängdsfotoner (med en energi på mer än cirka 3 eV) elektroner ur ledningsbandet och gör dem otillgängliga för arbete. Den övre våglängdsgränsen för att få användbart arbete från den fotoelektriska effekten i solpaneler beror på solcellens struktur, materialen som används i dess konstruktion och kretsegenskaperna.
Solenergins våglängd och celleffektivitet
Kort sagt är PV-celler känsliga för ljus från hela spektrumet så länge våglängden är över bandgapet för materialet som används för cellen, men extremt kort våglängdsljus slösas bort. Detta är en av de faktorer som påverkar solcellens effektivitet. En annan är tjockleken på det halvledande materialet. Om fotoner måste resa långt igenom 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 reflektivitet. En viss fraktion av infallande ljus studsar från cellens yta utan att träffa en elektron. För att minska förluster från reflektionsförmåga och öka effektiviteten täcker tillverkare av solceller vanligtvis cellerna med ett icke-reflekterande, ljusabsorberande material. Därför är solceller vanligtvis svarta.