Sadržaj
- Učinak valne duljine solarne energije na energiju elektrona
- Radna funkcija i pojačana vrpca
- Minimalne i maksimalne valne duljine
- Talasna dužina solarne energije i efikasnost stanica
Solarne stanice ovise o fenomenu poznatom kao fotonaponski učinak, otkrio je francuski fizičar Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Povezana je s fotoelektričnim učinkom, fenomenom kojim se elektroni izbacuju iz vodećeg materijala kada na njega svijetli svjetlost. Albert Einstein (1879.-1955.) Dobio je Nobelovu nagradu za fiziku 1921. godine za svoje objašnjenje tog fenomena, koristeći kvantne principe koji su u to vrijeme bili novi. Za razliku od fotoelektričnog učinka, fotonaponski se efekt odvija na granici dvije poluvodičke ploče, a ne na jednoj vodljivoj ploči. Ni jedan elektron se zapravo ne izbacuje kad svjetlost svijetli. Umjesto toga, oni se akumuliraju duž granice kako bi stvorili napon. Kad dvije ploče povežete provodnom žicom, struja će teći u žici.
Einsteinovo veliko postignuće, a razlog zbog kojeg je dobio Nobelovu nagradu, bio je prepoznavanje da energija elektrona izbačenih iz fotoelektrične ploče ovisi - ne o intenzitetu svjetlosti (amplitudi), kako je predviđala teorija valova - već o frekvenciji, koja je inversa valne duljine. Što je kraća valna duljina upadne svjetlosti, veća je frekvencija svjetla i više energije posjeduju izbačeni elektroni. Na isti su način fotonaponske stanice osjetljive na valnu duljinu i bolje reagiraju na sunčevu svjetlost u nekim dijelovima spektra nego u drugima. Da bismo razumjeli zašto, pomaže pregledati Einsteinovo objašnjenje fotoelektričnog učinka.
Učinak valne duljine solarne energije na energiju elektrona
Einsteinovo objašnjenje fotoelektričnog efekta pomoglo je u uspostavljanju kvantnog modela svjetlosti. Svaki snop svjetlosti, koji se naziva foton, ima karakterističnu energiju određenu njegovom frekvencijom. Energija (E) fotona dana je Planckovim zakonom: E = hf, gdje je f frekvencija, a h je Plancksova konstanta (6.626 × 10−34 Joule ∙ sekundi). Unatoč činjenici da foton ima prirodu čestica, on ima i valne karakteristike, a za svaki val njegova je frekvencija uzajamna njegova valna duljina (koja je ovdje označena sa w). Ako je brzina svjetlosti c, tada je f = c / w i Plancksov zakon može se napisati:
E = hc / w
Kad se fotoni događaju na vodljivom materijalu, oni se sudaraju s elektronima u pojedinim atomima. Ako fotoni imaju dovoljno energije, oni istjeruju elektrone u najudaljenije ljuske. Ti elektroni tada slobodno cirkuliraju kroz materijal. Ovisno o energiji padajućih fotona, oni se mogu potpuno izbaciti iz materijala.
Prema Plancksovom zakonu, energija upadajućih fotona obrnuto je proporcionalna njihovoj valnoj duljini. Kratkovalno zračenje zauzima ljubičasti kraj spektra i uključuje ultraljubičasto zračenje i gama zrake. S druge strane, dugovalno zračenje zauzima crveni kraj i uključuje infracrveno zračenje, mikrovalne i radio valove.
Sunčeva svjetlost sadrži čitav spektar zračenja, ali samo svjetlost s dovoljno kratkom valnom duljinom proizvodiće fotoelektrične ili fotonaponske efekte. To znači da je dio solarnog spektra koristan za proizvodnju električne energije. Nije važno koliko je jaka ili prigušena svjetlost. Jednostavno mora imati - u najmanju ruku - valnu duljinu solarnih ćelija. Visokoenergetsko ultraljubičasto zračenje može prodrijeti u oblake, što znači da bi solarne ćelije trebale funkcionirati u oblačnim danima - i to rade.
Radna funkcija i pojačana vrpca
Foton mora imati minimalnu energetsku vrijednost da pobuđuje elektrone dovoljno da ih ispucaju iz svojih orbitala i omoguće im da se slobodno kreću. U dirigentnom materijalu ta se minimalna energija naziva radnom funkcijom, a različita je za svaki dirigent. Kinetička energija elektrona oslobođenog sudara s fotonom jednaka je energiji fotona minus radnoj funkciji.
U fotonaponskoj ćeliji spojena su dva različita poluvodička materijala kako bi se stvorilo ono što fizičari nazivaju PN-spojnicom. U praksi je uobičajeno da se koristi jedan materijal, poput silicija, i da se dopiraju s različitim kemikalijama da bi se stvorio taj spoj. Na primjer, doping silicij sa antimonom stvara poluvodič N-tipa, a doping borom čini poluvodič tipa P. Elektroni izbačeni iz svojih orbita sakupljaju se u blizini PN-čvora i povećavaju napon preko njega. Energija praga za izbacivanje elektrona iz njegove orbite u pojas provodnika poznata je kao jaz vrpce. Slično je s radnom funkcijom.
Minimalne i maksimalne valne duljine
Da bi se napon razvijao preko PN-spoja solarne ćelije. incidentno zračenje mora premašiti energiju zazora u pojasu. To je različito za različite materijale. To je 1,11 elektrona volti za silicij, koji je materijal koji se najčešće koristi za solarne ćelije. Jedan elektron volt = 1,6 × 10-19 joules, tako da je energija zazora pojasa 1,78 × 10-19 džula. Preuređivanje jednadžbe Plankova i rješavanje valne duljine govori vam valnu duljinu svjetlosti koja odgovara ovoj energiji:
w = hc / E = 1,110 nanometara (1,11 × 10)-6 metara)
Valne duljine vidljive svjetlosti javljaju se između 400 i 700 nm, tako da je valna duljina valne širine za silikonske solarne ćelije u vrlo bliskom infracrvenom rasponu. Svakom zračenju veće valne duljine, kao što su mikrotalasi i radio valovi, nedostaje energije za proizvodnju električne energije iz solarne ćelije.
Bilo koji foton s energijom većom od 1,11 eV može izbaciti jedan elektron iz atoma silicija i to ga u kondukcijski pojas. U praksi, međutim, fotoni vrlo kratke valne duljine (s energijom većom od oko 3 eV) elektrone čiste iz provodnog pojasa i čine ih nedostupnima za obavljanje posla. Gornji prag valne duljine za dobivanje korisnog rada od fotoelektričnog učinka na solarnim pločama ovisi o strukturi solarne ćelije, materijalima koji se koriste u njenoj konstrukciji i karakteristikama kruga.
Talasna dužina solarne energije i efikasnost stanica
Ukratko, PV ćelije su osjetljive na svjetlost iz cijelog spektra sve dok je valna duljina iznad raspona raspona materijala koji se koristi za stanicu, ali jako se troši svjetlost kratke valne duljine. Ovo je jedan od faktora koji utječe na učinkovitost solarnih ćelija. Drugi je debljina poluvodiča. Ako fotoni moraju prijeći dug materijal kroz materijal, oni gube energiju sudarima s drugim česticama i možda nemaju dovoljno energije za ispuštanje elektrona.
Treći faktor koji utječe na učinkovitost je reflektivnost solarne ćelije. Neki dio upadne svjetlosti odbija od površine ćelije, a da se pri tome ne susreće s elektronom. Da bi smanjili gubitke od reflektivnosti i povećali učinkovitost, proizvođači solarnih ćelija obično premazuju stanice nereflektivnim materijalom koji apsorbira svjetlost. Zbog toga su solarne ćelije obično crne.