Inhoud
- Het effect van golflengte van zonne-energie op elektronenenergie
- Werkfunctie en bandafstand
- Minimale en maximale golflengten
- Zonne-energie Golflengte en celefficiëntie
Zonnecellen zijn afhankelijk van een fenomeen dat bekend staat als het fotovoltaïsche effect, ontdekt door de Franse natuurkundige Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Het is gerelateerd aan het foto-elektrisch effect, een fenomeen waarbij elektronen worden uitgeworpen uit een geleidend materiaal wanneer er licht op schijnt. Albert Einstein (1879-1955) won de 1921 Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn verklaring van dat fenomeen, met behulp van kwantumprincipes die destijds nieuw waren. In tegenstelling tot het foto-elektrisch effect, vindt het fotovoltaïsche effect plaats aan de grens van twee halfgeleiderplaten, niet op een enkele geleidende plaat. Er worden geen elektronen uitgeworpen als er licht schijnt. In plaats daarvan hopen ze zich op langs de grens om een spanning te creëren. Wanneer u de twee platen verbindt met een geleidende draad, stroomt er een stroom in de draad.
Einsteins grote prestatie, en de reden waarom hij de Nobelprijs won, was om te erkennen dat de energie van de elektronen die door een foto-elektrische plaat werden uitgeworpen, niet afhankelijk was van de lichtintensiteit (amplitude), zoals voorspelde golftheorie - maar van frequentie, die het omgekeerde van golflengte. Hoe korter de golflengte van invallend licht, hoe hoger de frequentie van het licht en hoe meer energie er wordt uitgestoten door uitgestoten elektronen. Op dezelfde manier zijn fotovoltaïsche cellen gevoelig voor golflengte en reageren ze in sommige delen van het spectrum beter dan zonlicht. Om te begrijpen waarom, helpt het om de uitleg van Einsteins van het foto-elektrisch effect te bekijken.
Het effect van golflengte van zonne-energie op elektronenenergie
Einsteins uitleg van het foto-elektrisch effect hielp bij het vaststellen van het kwantummodel van licht. Elke lichtbundel, een foton genoemd, heeft een karakteristieke energie die wordt bepaald door zijn trillingsfrequentie. De energie (E) van een foton wordt gegeven door de wet van Plancks: E = hf, waarbij f de frequentie is en h de constante Plancks is (6.626 × 10−34 joule ∙ seconde). Ondanks het feit dat een foton een deeltjeskarakter heeft, heeft het ook golfkarakteristieken, en voor elke golf is de frequentie wederkerig van zijn golflengte (die hier wordt aangeduid met w). Als de snelheid van het licht c is, dan is f = c / w en kan de Plancks-wet worden geschreven:
E = hc / w
Wanneer fotonen op een geleidend materiaal vallen, botsen ze met de elektronen in de individuele atomen. Als de fotonen voldoende energie hebben, slaan ze de elektronen in de buitenste schalen uit. Deze elektronen kunnen vervolgens door het materiaal circuleren. Afhankelijk van de energie van de invallende fotonen kunnen ze helemaal uit het materiaal worden geworpen.
Volgens de wet van Plancks is de energie van de invallende fotonen omgekeerd evenredig met hun golflengte. Straling met korte golflengte neemt het violette uiteinde van het spectrum in en omvat ultraviolette straling en gammastraling. Aan de andere kant bezet straling met een lange golflengte het rode uiteinde en omvat infraroodstraling, microgolven en radiogolven.
Zonlicht bevat een heel spectrum van straling, maar alleen licht met een korte golflengte produceert de foto-elektrische of fotovoltaïsche effecten. Dit betekent dat een deel van het zonnespectrum nuttig is voor het opwekken van elektriciteit. Het maakt niet uit hoe helder of zwak het licht is. Het moet gewoon - op zijn minst - de zonnecelgolflengte hebben. Hoogenergetische ultraviolette straling kan wolken doordringen, wat betekent dat zonnecellen op bewolkte dagen zouden moeten werken - en dat doen ze.
Werkfunctie en bandafstand
Een foton moet een minimale energiewaarde hebben om elektronen voldoende te exciteren om ze uit hun orbitalen te slaan en ze vrij te laten bewegen. In een geleidend materiaal wordt deze minimale energie de werkfunctie genoemd en is deze voor elk geleidend materiaal anders. De kinetische energie van een elektron dat vrijkomt bij een botsing met een foton is gelijk aan de energie van het foton minus de werkfunctie.
In een fotovoltaïsche cel worden twee verschillende halfgeleidende materialen samengesmolten om te creëren wat natuurkundigen een PN-junctie noemen. In de praktijk is het gebruikelijk om een enkel materiaal, zoals silicium, te gebruiken en het te dopen met verschillende chemicaliën om deze kruising te creëren. Doping silicium met antimoon creëert bijvoorbeeld een N-type halfgeleider en dotering met boor maakt een P-type halfgeleider. Elektronen die uit hun banen zijn geslagen, verzamelen zich nabij de PN-junctie en verhogen de spanning daarover. De drempelenergie om een elektron uit zijn baan en in de geleidingsband te slaan, staat bekend als de bandafstand. Het lijkt op de werkfunctie.
Minimale en maximale golflengten
Voor het ontwikkelen van een spanning over de PN-kruising van een zonnecel. de invallende straling moet de bandgap-energie overschrijden. Dit is anders voor verschillende materialen. Het is 1,11 elektronenvolt voor silicium, het materiaal dat het meest wordt gebruikt voor zonnecellen. Eén elektronenspanning = 1,6 × 10-19 joules, dus de band gap-energie is 1,78 × 10-19 joules. Herschikken van plankenvergelijking en oplossen voor golflengte vertelt u de golflengte van licht die overeenkomt met deze energie:
w = hc / E = 1.110 nanometer (1.11 × 10-6 meter)
De golflengten van zichtbaar licht komen voor tussen 400 en 700 nm, dus de bandbreedtegolflengte voor silicium zonnecellen ligt in het zeer nabije infraroodbereik. Elke straling met een langere golflengte, zoals magnetrons en radiogolven, mist de energie om elektriciteit uit een zonnecel te produceren.
Elk foton met een energie groter dan 1,11 eV kan een elektron van een siliciumatoom losmaken en het in de geleidingsband. In de praktijk echter, vallen fotonen met een zeer korte golflengte (met een energie van meer dan ongeveer 3 eV) elektronen uit de geleidingsband en maken ze niet beschikbaar om te werken. De bovenste golflengtedrempel om nuttig werk te krijgen van het foto-elektrisch effect in zonnepanelen hangt af van de structuur van de zonnecel, de gebruikte materialen in de constructie en de circuitkenmerken.
Zonne-energie Golflengte en celefficiëntie
Kortom, PV-cellen zijn gevoelig voor licht uit het gehele spectrum zolang de golflengte zich boven de bandafstand van het voor de cel gebruikte materiaal bevindt, maar er wordt extreem korte golflengte licht verspild. Dit is een van de factoren die de efficiëntie van zonnecellen beïnvloedt. Een andere is de dikte van het halfgeleidermateriaal. Als fotonen een lange weg door het materiaal moeten afleggen, verliezen ze energie door botsingen met andere deeltjes en hebben ze mogelijk niet genoeg energie om een elektron los te maken.
Een derde factor die de efficiëntie beïnvloedt, is de reflectiviteit van de zonnecel. Een bepaalde fractie van invallend licht stuitert van het oppervlak van de cel zonder een elektron tegen te komen. Om verliezen door reflectiviteit te verminderen en de efficiëntie te verhogen, coaten fabrikanten van zonnecellen de cellen meestal met een niet-reflecterend, lichtabsorberend materiaal. Daarom zijn zonnecellen meestal zwart.