Sisältö
- Aurinkoenergian aallonpituuden vaikutus elektronienergiaan
- Työfunktio ja kaistaväli
- Pienin ja suurin aallonpituus
- Aurinkoenergian aallonpituus ja kennojen hyötysuhde
Aurinkokennot riippuvat ilmiöstä, jota kutsutaan aurinkosähkövaikutukseksi, jonka ranskalainen fyysikko Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) löysi. Se liittyy valosähkövaikutukseen, ilmiöön, jonka kautta elektronit työntyvät johtavasta materiaalista, kun valo paistaa siihen. Albert Einstein (1879-1955) voitti vuoden 1921 fysiikan Nobel-palkinnon selityksensä perusteella ilmiöön käyttämällä tuolloin uusia kvanttiperiaatteita. Toisin kuin valosähkötehoste, aurinkosähkötehoste tapahtuu kahden puolijohtavan levyn rajalla, ei yhdessä johtavassa levyssä. Mikään elektroni ei todellakaan poistu, kun valo paistaa. Sen sijaan ne kertyvät rajaa pitkin muodostaen jännitteen. Kun liität kaksi levyä johtavaan johtoon, virta virtaa virtaan.
Einsteinsin suuri saavutus ja syy, jonka vuoksi hän voitti Nobel-palkinnon, oli tunnustaa, että valosähköisestä levystä työntyneiden elektronien energia riippui - ei valon voimakkuudesta (amplitudista), kuten aalto-teoria ennusti - vaan taajuudesta, joka on aallonpituuden käänteinen. Mitä lyhyempi tulevan valon aallonpituus, sitä korkeampi valon taajuus on ja sitä enemmän energiaa emittoiduilla elektronilla on. Samalla tavoin aurinkokennot ovat herkkiä aallonpituudelle ja reagoivat paremmin auringonvaloon tietyillä spektrin osilla kuin toiset. Ymmärtääksesi miksi, se auttaa tarkistamaan Einsteinsin selityksen valosähkövaikutuksesta.
Aurinkoenergian aallonpituuden vaikutus elektronienergiaan
Einsteinsin selitys valosähkövaikutuksesta auttoi luomaan valon kvanttimallin. Jokaisella fotoniksi kutsutulla valopalalla on ominainen energia, joka määräytyy värähtelytaajuuden perusteella. Fotonin energia (E) annetaan Plancksin lailla: E = hf, missä f on taajuus ja h on Plancksin vakio (6,626 × 10−34 joule ∙ toinen). Huolimatta siitä, että fotonilla on hiukkasluonne, sillä on myös aallon ominaispiirteitä, ja minkä tahansa aallon tapauksessa sen taajuus on sen aallonpituuden vastavuoroinen (jota tässä merkitään w: llä). Jos valon nopeus on c, niin f = c / w, ja Plancks-laki voidaan kirjoittaa:
E = hc / w
Kun fotoneja tapahtuu johtavassa materiaalissa, ne törmäävät yksittäisten atomien elektronien kanssa. Jos fotoneilla on tarpeeksi energiaa, ne lyövät elektronit uloimmista kuorista. Nämä elektronit voivat sitten vapaasti kiertää materiaalin läpi. Riippuen tapahtuneiden fotonien energiasta, ne voidaan poistaa materiaalista kokonaan.
Plancksin lain mukaan tulevien fotonien energia on käänteisesti verrannollinen niiden aallonpituuteen. Lyhyen aallonpituuden säteily vie spektrin violetin pään ja sisältää ultraviolettisäteilyn ja gammasäteet. Toisaalta pitkän aallonpituuden säteily miehittää punaisen pään ja sisältää infrapunasäteilyn, mikroaallot ja radioaallot.
Auringonvalo sisältää koko säteilyn, mutta vain riittävän lyhyen aallonpituuden omaava valo tuottaa valosähköisiä tai aurinkosähköisiä tehosteita. Tämä tarkoittaa, että osa aurinkospektristä on hyödyllinen sähkön tuotannossa. Sillä ei ole väliä kuinka kirkas tai himmeä valo on. Sillä vain on oltava - vähintäänkin - aurinkokennon aallonpituus. Korkean energian ultraviolettisäteily voi tunkeutua pilviin, mikä tarkoittaa, että aurinkokennojen tulisi toimia pilvisinä päivinä - ja niin tapahtuu.
Työfunktio ja kaistaväli
Fotonilla on oltava vähimmäisenergia-arvo elektronien kiihdyttämiseksi tarpeeksi, jotta hän voi lyödä ne kiertoradaltaan ja antaa heidän liikkua vapaasti. Johtavassa materiaalissa tätä minimienergiaa kutsutaan työfunktioksi, ja se on erilainen jokaiselle johtavalle materiaalille. Törmäyksessä fotonin kanssa vapautuneen elektronin kineettinen energia on yhtä suuri kuin fotonin energia miinus työfunktio.
Valosähkökennossa sulautetaan kaksi erilaista puolijohdemateriaalia, jotta saadaan aikaan mitä fyysikot kutsuvat PN-risteykseksi. Käytännössä on yleistä käyttää yhtä materiaalia, kuten piitä, ja seostella sitä eri kemikaaleilla tämän liitoksen luomiseksi. Esimerkiksi piiman dopingointi antimonilla luo N-tyyppisen puolijohteen, ja boorin kanssa doppimisen avulla syntyy P-tyyppinen puolijohde. Kiertoradaltaan puretut elektronit kerääntyvät lähellä PN-risteystä ja lisäävät sen yli tulevaa jännitettä. Kynnysenergia, jolla elektroni voidaan lyödä kiertoradaltaan ja johtamiskaistaan, tunnetaan nimellä kaistaväli. Se on samanlainen kuin työtoiminto.
Pienin ja suurin aallonpituus
Jännitteen kehittymiseksi aurinkokennon PN-risteyksessä. tulevan säteilyn on ylitettävä kaistavälin energia. Tämä on erilainen eri materiaaleille. Se on 1,11 elektronivoltta piille, jota käytetään useimmiten aurinkokennoissa. Yksi elektronivoltti = 1,6 × 10-19 jouleina, joten kaistavälienergia on 1,78 × 10-19 joulea. Planks-yhtälön uudelleenjärjestely ja aallonpituuden ratkaiseminen kertoo valon aallonpituuden, joka vastaa tätä energiaa:
w = hc / E = 1110 nanometriä (1,11 x 10-6 m)
Näkyvän valon aallonpituudet esiintyvät välillä 400-700 nm, joten piin aurinkokennojen kaistanleveyden aallonpituus on hyvin lähellä infrapuna-aluetta. Kaikista pidemmistä aallonpituuksista, kuten mikroaalto- ja radioaalloista, puuttuu energiaa sähkön tuottamiseksi aurinkokennosta.
Jokainen fotoni, jonka energia on suurempi kuin 1,11 eV, voi siirtää elektronin piiatomista ja sen johtamiskaistaan. Käytännössä kuitenkin hyvin lyhyen aallonpituuden fotonit (yli energian ollessa noin 3 eV) elektronit poistuvat johtamiskaistalta ja tekevät niistä poissa käytöstä työtä varten. Ylempi aallonpituuskynnys hyödyllisen työn saamiseksi aurinkopaneelien valosähkövaikutuksesta riippuu aurinkokennon rakenteesta, sen rakennuksessa käytetyistä materiaaleista ja piirin ominaisuuksista.
Aurinkoenergian aallonpituus ja kennojen hyötysuhde
Lyhyesti sanottuna, PV-solut ovat herkkiä koko spektrin valolle, kunhan aallonpituus on soluun käytetyn materiaalin kaistavälin yläpuolella, mutta erittäin lyhyen aallonpituuden valo hukkaantuu. Tämä on yksi tekijöistä, jotka vaikuttavat aurinkokennojen tehokkuuteen. Toinen on puolijohtavan materiaalin paksuus. Jos fotonien on kuljettava pitkä matka materiaalin läpi, ne menettävät energiaa törmäyksissä muiden hiukkasten kanssa, ja niillä ei ehkä ole tarpeeksi energiaa elektronin purkamiseen.
Kolmas tehokkuuteen vaikuttava tekijä on aurinkokennon heijastavuus. Tietynlainen osa tulevasta valosta pomppii solun pinnalta kohtaamatta elektronia. Heijastavuudesta johtuvien häviöiden vähentämiseksi ja tehokkuuden lisäämiseksi aurinkokennojen valmistajat päällystävät solut yleensä heijastamattomalla, valoa absorboivalla materiaalilla. Siksi aurinkokennot ovat yleensä mustia.