Sisu
- Päikeseenergia lainepikkuse mõju elektronide energiale
- Tööfunktsioon ja ribavahe
- Minimaalne ja maksimaalne lainepikkus
- Päikeseenergia lainepikkus ja rakkude efektiivsus
Päikeseelemendid sõltuvad fotogalvaanilise efektina tuntud nähtusest, mille avastas prantsuse füüsik Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). See on seotud fotoelektrilise efektiga - nähtusega, mille käigus elektrid juhtivast materjalist väljutatakse, kui sellele paistab valgus. Albert Einstein (1879-1955) võitis 1921. aasta Nobeli füüsikapreemia selle nähtuse selgitamise eest, kasutades sel ajal uusi kvantpõhimõtteid. Erinevalt fotoelektrilisest efektist toimub fotogalvaaniline efekt kahe pooljuhitava plaadi piiril, mitte ühel ja samal juhtival plaadil. Kui valgus paistab, ei väljutata tegelikult ühtegi elektroni. Selle asemel kogunevad nad pinge tekitamiseks mööda piiri. Kui ühendate kaks plaati juhtivjuhtmega, voolab traadis vool.
Einsteini suur saavutus ja põhjus, miks ta Nobeli preemia võitis, oli tõdemus, et fotoelektriplaadilt väljutatud elektronide energia sõltus - mitte valguse intensiivsusest (amplituudist), nagu laineteooria ennustas, vaid sagedusest, mis on lainepikkuse pöördväärtus. Mida lühem on langeva valguse lainepikkus, seda kõrgem on valguse sagedus ja seda rohkem energiat väljutatud elektronidele on. Samamoodi on fotogalvaanilised elemendid lainepikkuse suhtes tundlikud ja reageerivad mõnes spektriosa päikesevalgusele paremini kui teised. Selle mõistmiseks aitab see üle vaadata Einsteini selgituse fotoelektrilise efekti kohta.
Päikeseenergia lainepikkuse mõju elektronide energiale
Einsteini selgitus fotoelektrilise efekti kohta aitas luua valguse kvantmudeli. Igal valguskimbul, mida nimetatakse footoniks, on iseloomulik energia, mille määrab vibratsiooni sagedus. Fotoni energia (E) saadakse Plancksi seadusega: E = hf, kus f on sagedus ja h on Plancksi konstant (6,626 × 10−34 joule ∙ teine). Hoolimata asjaolust, et footonil on osakeste olemust, on sellel ka laineomadusi ja iga laine puhul on selle sagedus selle lainepikkuse vastastikune (mida siin tähistatakse w-ga). Kui valguse kiirus on c, siis f = c / w ja Plancksi seadus saab kirjutada:
E = hc / w
Kui juhtivast materjalist satuvad footonid, põrkuvad nad üksikute aatomite elektronidega. Kui footonitel on piisavalt energiat, löövad nad elektronid välimistes kestades välja. Seejärel saavad need elektronid materjali kaudu vabalt ringi liikuda. Sõltuvalt langevate footonite energiast võivad need materjalist täielikult väljuda.
Plancksi seaduse kohaselt on langevate footonite energia pöördvõrdeline nende lainepikkusega. Lühilainepikkune kiirgus hõivab spektri violetset otsa ja sisaldab ultraviolettkiirgust ning gammakiiri. Teisest küljest hõivab pika lainepikkusega kiirgus punase otsa ja hõlmab infrapunakiirgust, mikrolaineid ja raadiolaineid.
Päikesevalgus sisaldab tervet radiatsioonispektrit, kuid ainult piisavalt lühikese lainepikkusega valgus tekitab fotoelektrilisi või fotoelektrilisi efekte. See tähendab, et osa päikesespektrist on elektrienergia tootmiseks kasulik. Pole tähtis, kui hele või hämar valgus on. Sellel peab olema vähemalt - vähemalt - päikesepatarei lainepikkus. Suure energiaga ultraviolettkiirgus võib tungida pilvedesse, mis tähendab, et päikesepatareid peaksid hägustel päevadel funktsioneerima - ja seda ka nemad.
Tööfunktsioon ja ribavahe
Fotonil peab olema minimaalne energiaväärtus, et ergastada elektronid piisavalt, et see nende orbitaalidest koputada ja võimaldaks neil vabalt liikuda. Juhtivas materjalis nimetatakse seda minimaalset energiat tööfunktsiooniks ja see on iga juhtiva materjali puhul erinev. Kokkupõrkel footoniga vabaneva elektroni kineetiline energia on võrdne footoni energiaga, millest on lahutatud tööfunktsioon.
Fotoelemendis sulandutakse kahte erinevat pooljuhtmaterjali, et luua seda, mida füüsikud nimetavad PN-ristmikuks. Praktikas on selle ristmiku loomiseks tavaline kasutada ühte materjali, näiteks räni, ja leotada seda erinevate kemikaalidega. Näiteks moodustab räni dikteerimine antimoniga N-tüüpi pooljuhi ja booriga doping teeb P-tüüpi pooljuhi. Nende orbiitidest välja visatud elektronid kogunevad PN-ristmiku lähedusse ja suurendavad selle pinget. Lävienergiat, mis on vajalik elektri väljalülitamiseks selle orbiidilt ja juhtivusribasse, nimetatakse ribavahemikuks. See sarnaneb tööfunktsiooniga.
Minimaalne ja maksimaalne lainepikkus
Pinge saamiseks päikeseelemendi PN-ristmikul. langev kiirgus peab ületama ribalaiuse energiat. Erinevate materjalide puhul on see erinev. Päikesepatareide jaoks kasutatakse kõige sagedamini räni 1,11 elektronvolti. Üks elektronvolt = 1,6 × 10-19 džaulides, nii et riba riba energia on 1,78 × 10-19 džaulid. Planksi võrrandi ümberkorraldamine ja lainepikkuse lahendamine näitab teile valguse lainepikkust, mis vastab sellele energiale:
w = hc / E = 1110 nanomeetrit (1,11 × 10-6 meetrit)
Nähtava valguse lainepikkused esinevad vahemikus 400–700 nm, seega on räni päikesepatareide ribalaiuse lainepikkus väga lähedal infrapunavahemikule. Igasugusel pikema lainepikkusega kiirgusel, näiteks mikrolainetel ja raadiolainetel, puudub energia päikeseelemendist elektri tootmiseks.
Iga footon, mille energia on üle 1,11 eV, võib elektroni räniaatomist ja selle juhtivusribast välja nihutada. Praktikas aga eemalduvad väga lühikese lainepikkusega footonid (energiaga üle 3 eV) juhtivusribast ja muudavad need töö tegemiseks kättesaamatuks. Päikesepaneelide fotoelektrilisest efektist kasuliku töö saamiseks ülemine lainepikkuse lävi sõltub päikesepatarei struktuurist, selle ehitamisel kasutatud materjalidest ja vooluringi omadustest.
Päikeseenergia lainepikkus ja rakkude efektiivsus
Lühidalt, PV-elemendid on kogu spektri valguse suhtes tundlikud, kui lainepikkus ületab raku jaoks kasutatud materjali ribalaiust, kuid raisatakse eriti lühikese lainepikkusega valgus. See on üks päikeseelementide efektiivsust mõjutavatest teguritest. Teine võimalus on pooljuhtmaterjali paksus. Kui footonid peavad materjalist kaugele jõudma, kaotavad nad teiste osakestega kokkupõrke korral energiat ja neil ei pruugi olla piisavalt energiat elektronide nihutamiseks.
Kolmas tõhusust mõjutav tegur on päikesepatarei peegelduvus. Teatud osa langevast valgust põrkub lahtri pinnalt välja ilma elektronita. Peegelduskao vähendamiseks ja efektiivsuse suurendamiseks katavad päikesepatareide tootjad need tavaliselt mittepeegeldava, valgust neelava materjaliga. Seetõttu on päikesepatareid tavaliselt mustad.