Indhold
- Effekten af solenergibølgelængde på elektronenergi
- Arbejdsfunktion og bandgap
- Minimum og maksimale bølgelængder
- Solenergibølgelængde og celleffektivitet
Solceller er afhængige af et fænomen kendt som den fotovoltaiske virkning, opdaget af den franske fysiker Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Det er relateret til den fotoelektriske effekt, et fænomen, ved hvilket elektroner skubbes ud fra et ledende materiale, når lys skinner på det. Albert Einstein (1879-1955) vandt Nobelprisen i fysik i 1921 for sin forklaring af dette fænomen ved hjælp af kvanteprincipper, der var nye på det tidspunkt. I modsætning til den fotoelektriske virkning finder den fotovoltaiske virkning sted ved grænsen til to halvledende plader, ikke på en enkelt ledende plade. Ingen elektroner skubbes faktisk ud, når lyset skinner. I stedet akkumuleres de langs grænsen for at skabe en spænding. Når du forbinder de to plader med en ledende ledning, strømmer der en strøm i ledningen.
Einsteins store præstation, og grunden til, at han vandt Nobelprisen, var at erkende, at energien i elektronerne, der udsættes fra en fotoelektrisk plade, var afhængig af - ikke af lysintensitet (amplitude), som bølgeteori forudsagde - men af frekvens, som er det inverse af bølgelængde. Jo kortere bølgelængde for indfaldende lys, desto højere er frekvensen af lyset og desto mere energi besidder de udkastede elektroner. På samme måde er fotovoltaiske celler følsomme over for bølgelængde og reagerer bedre på sollys i nogle dele af spektret end andre. For at forstå hvorfor hjælper det med at gennemgå Einsteins forklaring af den fotoelektriske effekt.
Effekten af solenergibølgelængde på elektronenergi
Einsteins forklaring af den fotoelektriske effekt hjalp med at etablere kvantemodellen af lys. Hvert lysbundt, kaldet en foton, har en karakteristisk energi bestemt af dens vibrationsfrekvens. Energien (E) for en foton er givet ved Plancks-loven: E = hf, hvor f er frekvensen og h er Plancks konstant (6.626 × 10−34 joule ∙ sekund). På trods af det faktum, at en foton har en partikelkarakter, har den også bølgekarakteristika, og for enhver bølge er dens frekvens den gensidige gengældelse af dens bølgelængde (som her betegnes med w). Hvis lysets hastighed er c, kan f = c / w, og Plancks-loven skrives:
E = hc / w
Når der optræder fotoner på et ledende materiale, kolliderer de med elektronerne i de enkelte atomer. Hvis fotonerne har nok energi, slår de elektronerne ud i de yderste skaller. Disse elektroner kan derefter cirkulere gennem materialet. Afhængig af energien fra hændelsesfotonerne, kan de blive skubbet helt ud af materialet.
I henhold til Plancks-loven er hændelsesfotonernes energi omvendt proportional med deres bølgelængde. Stråling med kort bølgelængde optager den violette ende af spektret og inkluderer ultraviolet stråling og gammastråler. På den anden side optager stråling med lang bølgelængde den røde ende og inkluderer infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger.
Sollys indeholder et helt spektrum af stråling, men kun lys med en kort nok bølgelængde giver de fotoelektriske eller fotovoltaiske effekter. Dette betyder, at en del af solspektret er nyttigt til generering af elektricitet. Det betyder ikke noget, hvor lyst eller svagt lyset er. Det skal bare have - som minimum - solcellens bølgelængde. Højenergi ultraviolet stråling kan trænge ind i skyer, hvilket betyder, at solceller skal fungere på overskyede dage - og det gør de.
Arbejdsfunktion og bandgap
En foton skal have en minimumsenergiverdi for at begejse elektroner nok til at banke dem fra deres orbitaler og tillade dem at bevæge sig frit. I et ledende materiale kaldes denne minimumsenergi arbejdsfunktionen, og den er forskellig for hvert ledende materiale. Den kinetiske energi fra et elektron frigivet ved kollision med en foton er lig med fotonens energi minus arbejdsfunktionen.
I en fotovoltaisk celle smeltes to forskellige halvledende materialer sammen for at skabe, hvad fysikere kalder et PN-kryds. I praksis er det almindeligt at bruge et enkelt materiale, såsom silicium, og at dope det med forskellige kemikalier for at skabe dette kryds. For eksempel skaber doping silicium med antimon en N-type halvleder, og doping med bor gør en P-type halvleder. Elektroner, der er slået ud af deres kredsløb, samles nær PN-krydset og øger spændingen over det. Tærsklenergien til at banke et elektron ud af sin bane og ind i ledningsbåndet er kendt som båndgabet. Det ligner arbejdsfunktionen.
Minimum og maksimale bølgelængder
For at udvikle en spænding over PN-krydset til en solcelle. den hændende stråling skal overstige båndgapsenergien. Dette er forskelligt for forskellige materialer. Det er 1,11 elektron volt for silicium, som er det materiale, der oftest bruges til solceller. Ét elektronvolumen = 1,6 × 10-19 joules, så båndgapsenergien er 1,78 × 10-19 joule. Omarrangering af plankernes ligning og løsning for bølgelængde fortæller dig bølgelængden af lys, der svarer til denne energi:
w = hc / E = 1.110 nanometer (1.11 × 10-6 meter)
Bølgelængderne af synligt lys forekommer mellem 400 og 700 nm, så båndbreddens bølgelængde for siliciumsolceller ligger i det meget nær infrarøde område. Enhver stråling med en længere bølgelængde, såsom mikrobølger og radiobølger, mangler energi til at producere elektricitet fra en solcelle.
Enhver foton med en energi, der er større end 1,11 eV, kan fjerne et elektron fra et siliciumatom og det ind i ledningsbåndet. I praksis rydder imidlertid meget korte bølgelængdefotoner (med en energi på mere end ca. 3 eV) elektroner ud af ledningsbåndet og gør dem utilgængelige til at udføre arbejde. Den øverste bølgelængde tærskel for at få nyttigt arbejde fra den fotoelektriske effekt i solcellepaneler afhænger af solcellens struktur, materialerne, der er brugt i dens konstruktion og kredsløbskarakteristika.
Solenergibølgelængde og celleffektivitet
Kort sagt er PV-celler følsomme over for lys fra hele spektret, så længe bølgelængden er over båndspalten for det materiale, der er brugt til cellen, men ekstremt kort bølgelængde spildes. Dette er en af de faktorer, der påvirker solcelleeffektiviteten. En anden er tykkelsen af det halvledende materiale. Hvis fotoner skal rejse langt gennem materialet, mister de energi gennem kollisioner med andre partikler og har muligvis ikke nok energi til at fjerne et elektron.
En tredje faktor, der påvirker effektiviteten, er solcellens reflektivitet. En vis brøkdel af indfaldende lys springer ud fra overfladen af cellen uden at støde på et elektron. For at reducere tab på grund af reflektivitet og øge effektiviteten belægger solcelleproducenter cellerne normalt med et ikke-reflekterende, lysabsorberende materiale. Dette er grunden til, at solceller normalt er sorte.