Περιεχόμενο
- Η επίδραση του μήκους κύματος ηλιακής ενέργειας στην ενέργεια ηλεκτρονίων
- Λειτουργία εργασίας και χάσμα ζώνης
- Ελάχιστα και Μέγιστα μήκη κύματος
- Ηλιακή ενέργεια και μήκος κυμάτων
Τα ηλιακά κύτταρα εξαρτώνται από ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως η φωτοβολταϊκή επίδραση, που ανακαλύφθηκε από τον γάλλο φυσικό Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Σχετίζεται με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ένα φαινόμενο με το οποίο τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται από ένα αγώγιμο υλικό όταν το φως λάμπει πάνω του. Ο Albert Einstein (1879-1955) κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1921 για την εξήγησή του για το φαινόμενο αυτό, χρησιμοποιώντας κβαντικές αρχές που ήταν καινούργιες εκείνη τη στιγμή. Σε αντίθεση με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το φωτοβολταϊκό φαινόμενο λαμβάνει χώρα στα όρια δύο ημιαγωγών πλακών, όχι σε μία μόνο αγωγό. Κανένα ηλεκτρόνιο δεν εκτοξεύεται όταν το φως λάμπει. Αντ 'αυτού, συσσωρεύονται κατά μήκος του ορίου για να δημιουργήσουν μια τάση. Όταν συνδέετε τις δύο πλάκες με ένα αγώγιμο σύρμα, ρέει ρεύμα στο καλώδιο.
Το μεγάλο επίτευγμα του Einstein, και ο λόγος για τον οποίο κέρδισε το βραβείο Νόμπελ, ήταν να αναγνωρίσει ότι η ενέργεια των ηλεκτρονίων που εκτοξεύονται από μια φωτοηλεκτρική πλάκα εξαρτάται - όχι από την ένταση του φωτός (πλάτος), όπως προέβλεπε η θεωρία των κυμάτων - αλλά από τη συχνότητα, το αντίστροφο του μήκους κύματος. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα του φωτός και η περισσότερη ενέργεια που κατέχουν τα εκτοξευόμενα ηλεκτρόνια. Με τον ίδιο τρόπο, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα είναι ευαίσθητα στο μήκος κύματος και ανταποκρίνονται καλύτερα στο ηλιακό φως σε ορισμένα μέρη του φάσματος από άλλα. Για να κατανοήσουμε γιατί, βοηθά στην αναθεώρηση της επεξήγησης Einsteins για το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα.
Η επίδραση του μήκους κύματος ηλιακής ενέργειας στην ενέργεια ηλεκτρονίων
Η εξήγηση του Einstein για το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα συνέβαλε στην καθιέρωση του κβαντικού μοντέλου φωτός. Κάθε δέσμη φωτός, που ονομάζεται φωτόνιο, έχει μια χαρακτηριστική ενέργεια που καθορίζεται από τη συχνότητα της δόνησης. Η ενέργεια (E) ενός φωτονίου δίνεται από τον νόμο Plancks: E = hf, όπου f είναι η συχνότητα και h είναι σταθερά Plancks (6.626 × 10−34 joule ∙ δευτερόλεπτο). Παρά το γεγονός ότι ένα φωτόνιο έχει σωματιδιακή φύση, έχει και χαρακτηριστικά κύματος, και για κάθε κύμα, η συχνότητά του είναι η αντίστροφη του μήκους κύματος του (που εδώ συμβολίζεται με w). Αν η ταχύτητα του φωτός είναι c, τότε f = c / w και ο νόμος Plancks μπορεί να γραφτεί:
E = hc / w
Όταν τα φωτόνια προσπίπτουν σε ένα αγώγιμο υλικό, συγκρούονται με τα ηλεκτρόνια στα επιμέρους άτομα. Εάν τα φωτόνια έχουν αρκετή ενέργεια, χτυπά τα ηλεκτρόνια στα εξωτερικά κελύφη. Αυτά τα ηλεκτρόνια είναι στη συνέχεια ελεύθερα να κυκλοφορούν μέσω του υλικού. Ανάλογα με την ενέργεια των προσπίπτοντων φωτονίων, μπορεί να εκτοξευθούν από το υλικό εντελώς.
Σύμφωνα με τον νόμο Plancks, η ενέργεια των φωτονίων προσπίπτοντος είναι αντιστρόφως ανάλογη προς το μήκος κύματος τους. Η ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος καταλαμβάνει το ιώδες άκρο του φάσματος και περιλαμβάνει την υπεριώδη ακτινοβολία και τις ακτίνες γάμμα. Από την άλλη πλευρά, η ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος καταλαμβάνει το κόκκινο άκρο και περιλαμβάνει υπέρυθρη ακτινοβολία, μικροκύματα και ραδιοκύματα.
Το ηλιακό φως περιέχει ένα ολόκληρο φάσμα ακτινοβολίας, αλλά μόνο το φως με ένα μικρό μήκος κύματος θα παράγει τα φωτοηλεκτρικά ή φωτοβολταϊκά αποτελέσματα. Αυτό σημαίνει ότι ένα μέρος του ηλιακού φάσματος είναι χρήσιμο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Δεν έχει σημασία πόσο φωτεινό ή σκοτεινό είναι το φως. Απλά πρέπει να έχει - τουλάχιστον - το μήκος κύματος των ηλιακών κυψελών. Η υπεριώδης ακτινοβολία υψηλής ενέργειας μπορεί να διεισδύσει στα σύννεφα, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλιακά κύτταρα πρέπει να λειτουργούν σε συννεφιασμένες ημέρες - και το κάνουν.
Λειτουργία εργασίας και χάσμα ζώνης
Ένα φωτόνιο πρέπει να έχει μια ελάχιστη ενεργειακή τιμή για να διεγείρει τα ηλεκτρόνια αρκετά ώστε να τα χτυπήσει από τις τροχιές τους και να τους επιτρέψει να κινούνται ελεύθερα. Σε ένα αγώγιμο υλικό, αυτή η ελάχιστη ενέργεια ονομάζεται συνάρτηση εργασίας και διαφορετική για κάθε αγώγιμο υλικό. Η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου που απελευθερώνεται από σύγκρουση με ένα φωτόνιο είναι ίση με την ενέργεια του φωτονίου μείον τη λειτουργία εργασίας.
Σε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο, δύο διαφορετικά ημιαγώγιμα υλικά συντήκονται για να δημιουργήσουν αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν μια διασταύρωση PN. Στην πράξη, το κοινό του να χρησιμοποιεί ένα μόνο υλικό, όπως το πυρίτιο, και να το κάνει με διαφορετικά χημικά για να δημιουργήσει αυτή τη διασταύρωση. Για παράδειγμα, το πυρίτιο ντόπινγκ με αντιμόνιο δημιουργεί ένα ημιαγωγό τύπου Ν και το ντόπινγκ με βόριο κάνει ένα ημιαγωγό τύπου Ρ. Ηλεκτρόνια που χτυπούν έξω από τις τροχιές τους συλλέγουν κοντά στην PN-διασταύρωση και αυξάνουν την τάση πέρα από αυτό. Η ενέργεια κατωφλίου για να χτυπήσει ένα ηλεκτρόνιο έξω από την τροχιά του και στη ζώνη αγωγιμότητας είναι γνωστή ως το χάσμα ζώνης. Το ίδιο με τη λειτουργία εργασίας.
Ελάχιστα και Μέγιστα μήκη κύματος
Για μια τάση να αναπτύσσεται σε όλη την PN-διασταύρωση ενός ηλιακού στοιχείου. η προσπίπτουσα ακτινοβολία πρέπει να υπερβαίνει την ενεργειακή απόσταση του ιμάντα Αυτό διαφέρει για διαφορετικά υλικά. Είναι 1,11 ηλεκτρονίων βολτ για το πυρίτιο, το οποίο είναι το υλικό που χρησιμοποιείται πιο συχνά για ηλιακά κύτταρα. Ένα ηλεκτρόνιο volt = 1,6 × 10-19 joules, οπότε η ενέργεια διάκενου ζώνης είναι 1,78 × 10-19 joules. Η εξισορρόπηση και η επίλυση των ακτίνων για το μήκος κύματος σας λέει το μήκος κύματος του φωτός που αντιστοιχεί σε αυτήν την ενέργεια:
w = hc / Ε = 1.110 νανόμετρα (1.11χ10-6 μετρητές)
Τα μήκη κύματος του ορατού φωτός εμφανίζονται μεταξύ 400 και 700 nm, επομένως το μήκος κύματος του εύρους ζώνης για τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου βρίσκεται σε πολύ κοντινή υπέρυθρη ακτίνα. Οποιαδήποτε ακτινοβολία με μεγαλύτερο μήκος κύματος, όπως τα μικροκύματα και τα ραδιοκύματα, στερείται της ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρισμού από ένα ηλιακό κύτταρο.
Οποιοδήποτε φωτόνιο με ενέργεια μεγαλύτερη από 1,11 eV μπορεί να αποσπάσει ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο πυριτίου και αυτό στη ζώνη αγωγιμότητας. Στην πράξη, όμως, τα πολύ μικρά φωτόνια (με ενέργεια μεγαλύτερη από περίπου 3 eV) απελευθερώνουν τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη αγωγιμότητας και τα καθιστούν μη διαθέσιμα για να δουλέψουν. Το ανώτατο όριο μήκους κύματος για να πάρει χρήσιμη εργασία από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο σε ηλιακούς συλλέκτες εξαρτάται από τη δομή του ηλιακού στοιχείου, τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή του και τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος.
Ηλιακή ενέργεια και μήκος κυμάτων
Εν ολίγοις, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα είναι ευαίσθητα στο φως από όλο το φάσμα, εφόσον το μήκος κύματος είναι πάνω από το διάκενο ζώνης του υλικού που χρησιμοποιείται για το κύτταρο, αλλά σπαταλάται εξαιρετικά μικρό μήκος κύματος. Αυτός είναι ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των ηλιακών κυττάρων. Ένα άλλο είναι το πάχος του ημιαγωγού υλικού. Εάν τα φωτόνια πρέπει να ταξιδέψουν σε μεγάλο βαθμό μέσα από το υλικό, χάνουν ενέργεια μέσω συγκρούσεων με άλλα σωματίδια και μπορεί να μην έχουν αρκετή ενέργεια για να απομακρύνουν ένα ηλεκτρόνιο.
Ένας τρίτος παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση είναι η ανακλαστικότητα του ηλιακού στοιχείου. Ένα συγκεκριμένο κλάσμα του προσπίπτοντος φωτός αναπηδά από την επιφάνεια της κυψέλης χωρίς να συναντήσει ένα ηλεκτρόνιο. Για να μειωθούν οι απώλειες από την ανακλαστικότητα και να αυξηθεί η απόδοση, οι κατασκευαστές ηλιακών κυττάρων επικαλύπτουν συνήθως τα κύτταρα με ένα μη αντανακλαστικό, απορροφητικό φως υλικό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα ηλιακά κύτταρα είναι συνήθως μαύρα.