İçerik
- Güneş Enerjisi Dalga Boyunun Elektron Enerjisine Etkisi
- İş Fonksiyonu ve Bant Boşluğu
- Minimum ve Maksimum Dalga Boyları
- Güneş Enerjisi Dalga Boyu ve Hücre Verimliliği
Güneş pilleri, Fransız fizikçi Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) tarafından keşfedilen fotovoltaik etki olarak bilinen bir olguya dayanır. Işık parladığında elektronların iletken bir materyalden çıkarıldığı bir fenomen olan fotoelektrik etki ile ilgilidir. Albert Einstein (1879-1955), o zaman yeni olan kuantum prensiplerini kullanarak, o fenomeni açıkladığı için fizik dalında 1921 Nobel Ödülü'nü kazandı. Fotoelektrik etkiden farklı olarak, fotovoltaik etki, tek bir iletken plaka üzerinde değil, iki yarı iletken plaka sınırında gerçekleşir. Işık parladığında aslında hiçbir elektron çıkmaz. Bunun yerine, voltaj oluşturmak için sınır boyunca birikirler. İki plakayı iletken bir kablo ile bağladığınızda, telde bir akım akacaktır.
Einstein'ın büyük başarısı ve Nobel Ödülünü kazanmasının nedeni, bir fotoelektrik plakadan çıkan elektronların enerjisinin, ışık yoğunluğuna (genlik) değil, dalga teorisinin öngördüğü gibi - ama frekansa bağlı olduğunu kabul etmekti. dalga boyunun tersi. Olay ışığının dalga boyu kısaldıkça, ışığın frekansı artar ve atılan elektronların sahip olduğu enerji artar. Aynı şekilde, fotovoltaik hücreler dalga boyuna duyarlıdır ve spektrumun bazı bölümlerinde güneş ışığına diğerlerinden daha iyi yanıt verirler. Nedenini anlamak, Einsteins'in fotoelektrik etkisinin açıklamasını incelemeye yardımcı olur.
Güneş Enerjisi Dalga Boyunun Elektron Enerjisine Etkisi
Einstein'ın fotoelektrik etkisinin açıklaması, kuantum ışık modelinin kurulmasına yardımcı oldu. Foton adı verilen her ışık demeti, titreşim sıklığı tarafından belirlenen karakteristik bir enerjiye sahiptir. Bir fotonun enerjisi (E) Plancks yasası ile verilir: E = hf, burada f frekansıdır ve h Plancks sabitidir (6.626 × 10−34 jul) ikinci ∙. Bir fotonun parçacık yapısına sahip olmasına rağmen, dalga özelliklerine de sahip olmasına rağmen, herhangi bir dalga için, frekansı dalga boyunun tersidir (burada w ile gösterilir). Işık hızı c ise, f = c / w ve Plancks yasası yazılabilir:
E = hc / w
Fotonlar iletken bir malzeme üzerinde gerçekleştiğinde, tek tek atomlardaki elektronlarla çarpışırlar. Fotonlar yeterli enerjiye sahipse, elektronları en dıştaki kabuklarda dışarı atarlar. Bu elektronlar daha sonra malzemede dolaşmakta serbesttir. Olay fotonlarının enerjisine bağlı olarak, malzemeden tamamen çıkarılabilirler.
Plancks yasalarına göre, olay fotonlarının enerjisi dalga boyları ile ters orantılıdır. Kısa dalga boylu radyasyon, spektrumun menekşe ucunu kaplar ve ultraviyole radyasyon ve gama ışınlarını içerir. Öte yandan, uzun dalga boylu radyasyon kırmızı ucu kaplar ve kızılötesi radyasyon, mikrodalgalar ve radyo dalgaları içerir.
Güneş ışığı tüm radyasyon spektrumunu içerir, ancak yalnızca yeterince kısa dalga boylu ışık fotoelektrik veya fotovoltaik etkiler üretecektir. Bu, güneş spektrumunun bir bölümünün elektrik üretmek için yararlı olduğu anlamına gelir. Işığın ne kadar parlak veya loş olduğu önemli değil. Sadece - en azından - güneş pili dalga boyuna sahip olmalı. Yüksek enerjili ultraviyole ışınımı bulutlara nüfuz edebilir, bu da güneş hücrelerinin bulutlu günlerde çalışması gerektiği anlamına gelir - ve yaparlar.
İş Fonksiyonu ve Bant Boşluğu
Bir fotonun, elektronları yörüngelerinden vurmalarını ve serbestçe hareket etmelerini sağlamak için yeterince uyarmak için minimum enerji değerine sahip olmaları gerekir. Bir iletken malzemede, bu minimum enerjiye iş işlevi denir ve her iletken malzeme için farklıdır. Bir fotonun çarpışmasıyla serbest kalan bir elektronun kinetik enerjisi, iş fonksiyonunun eksi fotonun enerjisine eşittir.
Fotovoltaik bir hücrede, fizikçilerin PN-kavşağı dediği şeyi oluşturmak için iki farklı yarı iletken malzeme birleştirilir. Uygulamada, silikon gibi tek bir malzemenin kullanılması ve bu bağlantıyı oluşturmak için farklı kimyasallarla işlemesi yaygındır. Örneğin, antimonlu silikon katkılı bir N tipi yarı iletken oluşturur ve borlu doping, P tipi yarı iletken yapar. Yörüngelerinde kırılan elektronlar, PN-kavşağının yakınında toplanır ve üzerindeki voltajı arttırır. Bir elektronu yörüngesinden ve iletken bant içine vurmak için eşik enerji, bant aralığı olarak bilinir. İş fonksiyonuna benzer.
Minimum ve Maksimum Dalga Boyları
Bir güneş pilinin PN-kavşağında voltaj oluşması için. olay radyasyonu, bant aralığı enerjisini aşmalıdır. Bu farklı malzemeler için farklı. Güneş pilleri için en sık kullanılan malzeme silikon olan 1.11 elektron volt'dur. Bir elektron volt = 1.6 × 10-19 joules, yani bant aralığı enerjisi 1.78 × 10-19 joule. Yeniden Düzenleme Planklar denklemi ve dalga boyu için çözüm size bu enerjiye karşılık gelen ışığın dalga boyunu söyler:
G = hc / E = 1,110 nanometre (1,11 x 10-6 metre)
Görünür ışığın dalga boyları 400 ila 700 nm arasında meydana gelir, bu nedenle silikon güneş pilleri için bant genişliği dalga boyu çok yakın kızılötesi aralıktadır. Mikrodalga fırınlar ve radyo dalgaları gibi daha uzun dalga boylu radyasyon, güneş pillerinden elektrik üretecek enerjiden yoksundur.
1.11 eV'den daha büyük bir enerjiye sahip herhangi bir foton, bir elektronu bir silikon atomundan ve iletim bandına bırakabilir. Bununla birlikte, pratikte, çok kısa dalga boylu fotonlar (yaklaşık 3 eV'den daha fazla enerjili) elektronlar iletim bandından temizlenir ve çalışmalarını yapamaz hale getirir. Güneş panellerindeki fotoelektrik etkiden işe yararlık elde etmek için üst dalga boyu eşiği, güneş hücresinin yapısına, yapımında kullanılan malzemelere ve devre özelliklerine bağlıdır.
Güneş Enerjisi Dalga Boyu ve Hücre Verimliliği
Kısacası, PV hücreleri, dalga boyu hücre için kullanılan malzemenin bant boşluğunun üstünde olduğu sürece tüm spektrumdaki ışığa duyarlıdır, ancak aşırı kısa dalga boyu ışığı boşa harcanır. Bu, güneş pili verimliliğini etkileyen faktörlerden biridir. Bir diğeri yarı iletken malzemenin kalınlığıdır. Fotonlar malzemenin içinden uzun bir yol kat etmek zorunda kalırlarsa, diğer parçacıklarla çarpışmalarda enerji kaybederler ve bir elektronu yerinden çıkarmak için yeterli enerjiye sahip olmayabilirler.
Verimliliği etkileyen üçüncü bir faktör, güneş pilinin yansımasıdır. Olay ışığının belirli bir kısmı, elektronla karşılaşmadan hücrenin yüzeyinden sıçramaktadır. Yansıtıcılıktan kaynaklanan kayıpları azaltmak ve verimliliği artırmak için, güneş pili üreticileri genellikle hücreleri yansıtıcı olmayan, ışığı emen bir malzeme ile kaplar. Bu nedenle güneş pilleri genellikle siyahtır.