Tartalom
- A napenergia hullámhosszának hatása az elektronenergiára
- Munkafunkció és sávrés
- Minimális és maximális hullámhossz
- Napenergia hullámhossz és sejthatékonyság
A napelemek egy fotovoltaikus hatásként ismert jelenségtől függenek, amelyet Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) francia fizikus fedezett fel. Ez kapcsolódik a fotoelektromos effektushoz, egy olyan jelenséghez, amelynek során az elektronok egy vezető anyagból kitolódnak, amikor a fény rávilágít. Albert Einstein (1879-1955) az 1921-es fizikai Nobel-díjat nyerte el a jelenség magyarázatáért, az akkori új kvantumelvek felhasználásával. A fotoelektromos effekttel ellentétben a fotovoltaikus hatás két félvezető lemez határán zajlik, nem egyetlen vezetőlapon. A fény sütésekor valójában egyetlen elektron sem kerül ki. Ehelyett felhalmozódnak a határ mentén, hogy feszültséget hozzanak létre. Ha a két lemezt egy vezető huzallal köti össze, áram fog áramolni a huzalban.
Az Einsteins nagy sikere és annak oka, hogy elnyerte a Nobel-díjat, az volt, hogy felismerte, hogy a fotoelektromos lemezből kibocsátott elektronok energiája - nem a fény intenzitásától (amplitúdójától) függ, amint azt a hullámelmélet megjósolta -, hanem a frekvenciáról, amely a hullámhossz inverze. Minél rövidebb a beeső fény hullámhossza, annál nagyobb a frekvencia és annál több energiát bocsát ki a kisugárzott elektronok. Hasonlóképpen, a fotovoltaikus elemek érzékenyek a hullámhosszra, és a spektrum egyes részein jobban reagálnak a napfényre, mint mások. Hogy megértsük, miért segít áttekinteni az Einsteins magyarázatát a fotoelektromos hatásról.
A napenergia hullámhosszának hatása az elektronenergiára
A fotoelektromos hatás magyarázata Einsteins segített létrehozni a fény kvantummodelljét. Minden egyes fotonnak nevezett fénycsomag jellegzetes energiáját a rezgési gyakorisága határozza meg. A foton energiáját (E) a Plancks-törvény adja: E = hf, ahol f a frekvencia és h a Plancks állandó (6,626 × 10−34 joule ∙ második). Annak ellenére, hogy a foton részecske jellegű, rendelkezik hullámjellemzőkkel, és bármely hullám esetén a frekvencia a hullámhosszának viszonossága (amelyet itt w jelölünk). Ha a fénysebesség c, akkor f = c / w, és a Plancks-törvény írható:
E = hc / w
Amikor a fotonok egy vezető anyagon kerülnek be, ütköznek az egyes atomokban levő elektronokkal. Ha a fotonoknak elegendő energiája van, akkor az elektronokat a legkülső héjban ütik el. Ezek az elektronok szabadon keringhetnek az anyagon. A beeső fotonok energiájától függően ezek az anyagból összesen kiürülhetnek.
Plancks törvénye szerint a beeső fotonok energiája fordítottan arányos a hullámhosszukkal. A rövid hullámhosszú sugárzás elfoglalja a spektrum lila végét, és magában foglalja az ultraibolya sugárzást és a gammasugarakat. Másrészről, a hosszú hullámhosszú sugárzás elfoglalja a piros végét, és magában foglalja az infravörös sugárzást, a mikrohullámokat és a rádióhullámokat.
A napfény teljes sugárzási spektrumot tartalmaz, de csak elegendő rövid hullámhosszú fény hoz létre fotoelektromos vagy fotovoltaikus effektusokat. Ez azt jelenti, hogy a napspektrum egy része hasznos lehet villamos energia előállításához. Nem számít, mennyire világos vagy tompa a fény. Csak a napelem hullámhosszának kell lennie. A nagy energiájú ultraibolya sugárzás behatolhat a felhőkbe, ami azt jelenti, hogy a napelemeknek felhős napokon is működniük kell - és így vannak.
Munkafunkció és sávrés
A fotonnak legalább olyan energiaértékkel kell rendelkeznie, hogy elegendő legyen az elektronok ahhoz, hogy kikerülje őket az orbitális csatornáktól, és lehetővé tegye szabad mozgásukat. Egy vezető anyagban ezt a minimális energiát munkafunkciónak nevezzük, és minden vezető anyag esetében különbözik. A fotonnal való ütközés során felszabaduló elektron kinetikus energiája megegyezik a foton energiájával, mínusz a munkafunkció.
A fotovoltaikus cellában két különféle félvezető anyagot olvasztanak össze, hogy létrehozzák azt, amit a fizikusok PN-csomópontnak neveznek. A gyakorlatban az a gyakorlat, hogy egyetlen anyagot, például szilíciumot használnak, és különféle vegyszerekkel adalékolják ezt a kereszteződést. Például, amikor a szilíciumot antimonnal doppítják, N típusú félvezetőt hoznak létre, míg a bórral történő doppantással P típusú félvezetőt hoznak létre. A pályáikból kihúzott elektronok összegyűlnek a PN-csomópont közelében, és növelik a feszültséget rajta. Az a küszöbérték, amelyet egy elektron kikerül a pályájáról és a vezető sávba, sávrésnek nevezzük. Hasonló a munka funkcióhoz.
Minimális és maximális hullámhossz
Feszültség alakulhat ki egy napelem PN-csomópontján. a beeső sugárzásnak meg kell haladnia a sávrés energiáját. Ez különbözik a különböző anyagoktól. A szilícium 1,11 elektronvolta, amelyet a leggyakrabban a napelemekhez használnak. Egy elektron volt = 1,6 × 10-19 joule, tehát a sávrés energiája 1,78 × 10-19 joule. A Planks egyenlet átrendezése és a hullámhossz megoldása megmutatja a fény hullámhosszát, amely megfelel ennek az energianak:
w = hc / E = 1110 nanométer (1,11 × 10-6 méter)
A látható fény hullámhosszai 400 és 700 nm között vannak, tehát a szilícium napelemek sávszélességének hullámhossza a nagyon közeli infravörös tartományban van. Minden hosszabb hullámhosszú sugárzásnak, például mikrohullámoknak és rádióhullámoknak nincs elegendő energiájuk ahhoz, hogy napelemből áramot termeljenek.
Bármely foton, amelynek energiája meghaladja az 1,11 eV-t, elmozdíthatja az elektronot a szilícium atomtól és a vezetési sávba. A gyakorlatban azonban a nagyon rövid hullámhosszú fotonok (körülbelül 3 eV-nál nagyobb energiával) elektronok kiürülnek a vezető sávból, és nem teszik lehetővé őket munka elvégzéséhez. A napelemek fotoelektromos effektusából származó hasznos munka megszerzéséhez szükséges felső hullámhossz-küszöb a napelem felépítésétől, az építés során felhasznált anyagokatól és az áramkör jellemzőitől függ.
Napenergia hullámhossz és sejthatékonyság
Röviden: a PV cellák érzékenyek a teljes spektrum fényére, mindaddig, amíg a hullámhossz meghaladja a cellához használt anyag sávrését, de a rendkívül rövid hullámhosszú fény pazarlásba kerül. Ez az egyik olyan tényező, amely befolyásolja a napelem hatékonyságát. Másik lehetőség a félvezető anyag vastagsága. Ha a fotonoknak hosszú utat kell vezetniük az anyagon, akkor elveszítik az energiát más részecskékkel való ütközés következtében, és lehet, hogy nem rendelkeznek elegendő energiával az elektron elvezetéséhez.
A hatékonyságot befolyásoló harmadik tényező a napelem visszaverő képessége. A beeső fény egy bizonyos része visszatér a cella felületéhez anélkül, hogy elektronba ütközne. A fényvisszaverődés veszteségeinek csökkentése és a hatékonyság növelése érdekében a napelem gyártók általában nem tükröződő, fényelnyelő anyaggal bevonják a cellákat. Ez az oka annak, hogy a napelemek általában feketék.