ผลของความยาวคลื่นต่อเซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

เนื้อหา

• ผลของความยาวคลื่นพลังงานแสงอาทิตย์ต่อพลังงานอิเล็กตรอน
• ฟังก์ชั่นการทำงานและช่องว่างของวงดนตรี
• ความยาวคลื่นต่ำสุดและสูงสุด
• ความยาวคลื่นพลังงานแสงอาทิตย์และประสิทธิภาพของเซลล์

เซลล์แสงอาทิตย์ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเอฟเฟกต์โซลาร์เซลล์ค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) มันเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนถูกขับออกมาจากวัสดุตัวนำเมื่อแสงส่องกระทบ Albert Einstein (1879-1955) ได้รับรางวัลโนเบลปี 1921 ในสาขาฟิสิกส์สำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าวโดยใช้หลักการควอนตัมที่ใหม่ในเวลานั้น ซึ่งแตกต่างจากเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กตริกผลของเซลล์แสงอาทิตย์เกิดขึ้นที่ขอบเขตของแผ่นเซมิคอนดักเตอร์สองแผ่นไม่ใช่บนแผ่นนำไฟฟ้าเดี่ยว ไม่มีอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาเมื่อแสงส่อง แต่จะสะสมตามแนวเขตเพื่อสร้างแรงดัน เมื่อคุณเชื่อมต่อสองแผ่นด้วยลวดตัวนำกระแสไฟฟ้าจะไหลในลวด

Einsteins ความสำเร็จอันยิ่งใหญ่และเหตุผลที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลคือการรับรู้ว่าพลังงานของอิเล็กตรอนที่พุ่งออกมาจากแผ่นโฟโตอิเล็กทริกนั้นขึ้นอยู่กับความเข้มแสง (แอมพลิจูด) ตามทฤษฎีคลื่นที่คาดการณ์ไว้ การผกผันของความยาวคลื่น ยิ่งความยาวคลื่นของแสงตกกระทบมากเท่าไหร่ความถี่ของแสงก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้นและยิ่งมีพลังงานมากขึ้นโดยอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมา ในทำนองเดียวกันเซลล์แสงอาทิตย์มีความไวต่อความยาวคลื่นและตอบสนองต่อแสงแดดได้ดีกว่าในบางส่วนของสเปกตรัม เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมจึงช่วยให้ตรวจสอบคำอธิบาย Einsteins เกี่ยวกับผลกระทบจากแสง

ผลของความยาวคลื่นพลังงานแสงอาทิตย์ต่อพลังงานอิเล็กตรอน

คำอธิบายของ Einsteins เกี่ยวกับผลกระทบจากโฟโตอิเล็กทริกช่วยสร้างแบบจำลองควอนตัมของแสง ชุดไฟแต่ละอันเรียกว่าโฟตอนมีพลังงานลักษณะที่กำหนดโดยความถี่ของการสั่นสะเทือน พลังงาน (E) ของโฟตอนถูกกำหนดโดยกฎพลังค์: E = hf โดยที่ f คือความถี่และ h คือค่าคงตัวของพลังค์ (6.626 × 10)⁻³⁴ จูล∙วินาที) แม้ว่าโฟตอนจะมีลักษณะเป็นอนุภาค แต่ก็มีลักษณะของคลื่นและสำหรับคลื่นใด ๆ ความถี่ก็คือส่วนกลับของความยาวคลื่น (ซึ่งแสดงโดย w) หากความเร็วของแสงคือ c ดังนั้น f = c / w และสามารถเขียนกฎของพลังค์ได้:

E = hc / w

เมื่อโฟตอนเกิดขึ้นบนวัสดุตัวนำพวกมันจะชนกับอิเล็กตรอนในอะตอมแต่ละอะตอม ถ้าโฟตอนมีพลังงานเพียงพอพวกมันจะกระแทกอิเล็กตรอนในชั้นนอกสุด อิเล็กตรอนเหล่านี้มีอิสระที่จะไหลเวียนผ่านวัสดุ ขึ้นอยู่กับพลังงานของโฟตอนของเหตุการณ์พวกเขาอาจถูกไล่ออกจากวัสดุทั้งหมด

ตามกฎหมายพลังค์พลังของโฟตอนของเหตุการณ์นั้นแปรผกผันกับความยาวคลื่น การแผ่รังสีสั้นความยาวคลื่นตรงบริเวณปลายม่วงของสเปกตรัมซึ่งรวมถึงรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีแกมมา ในทางกลับกันการแผ่รังสีความยาวคลื่นยาวจะอยู่บริเวณปลายสีแดงซึ่งรวมถึงรังสีอินฟราเรดไมโครเวฟและคลื่นวิทยุ

แสงแดดมีทั้งสเปกตรัมของรังสี แต่มีเพียงแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นพอที่จะสร้างผลกระทบจากโฟโตอิเล็กทริกหรือไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ซึ่งหมายความว่าส่วนหนึ่งของสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์มีประโยชน์ในการผลิตกระแสไฟฟ้า มันไม่สำคัญว่าความสว่างหรือแสงสลัวแค่ไหน มันต้องมีอย่างน้อย - ความยาวคลื่นของเซลล์แสงอาทิตย์ รังสีอุลตร้าไวโอเล็ตพลังงานสูงสามารถทะลุเมฆซึ่งหมายความว่าเซลล์สุริยะควรทำงานในวันที่มีเมฆมาก

ฟังก์ชั่นการทำงานและช่องว่างของวงดนตรี

โฟตอนจะต้องมีค่าพลังงานขั้นต่ำในการกระตุ้นอิเล็กตรอนให้มากพอที่จะทำให้พวกมันหลุดออกจากวงโคจรและทำให้พวกมันเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ในวัสดุตัวนำพลังงานขั้นต่ำนี้เรียกว่าฟังก์ชันการทำงานและมีความแตกต่างสำหรับวัสดุตัวนำทุกชนิด พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากการชนกับโฟตอนเท่ากับพลังงานของโฟตอนลบด้วยฟังก์ชันการทำงาน

ในเซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์สารกึ่งตัวนำสองชนิดจะถูกหลอมรวมเพื่อสร้างสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า PN-junction ในทางปฏิบัติมันเป็นเรื่องธรรมดาที่จะใช้วัสดุชนิดเดียวเช่นซิลิกอนและใช้สารเคมีต่าง ๆ เพื่อสร้างทางแยกนี้ ตัวอย่างเช่นการเติมซิลิกอนด้วยพลวงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N และการเติมด้วยโบรอนทำให้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรของพวกเขารวบรวมใกล้กับทางแยก PN และเพิ่มแรงดันไฟฟ้าข้ามมัน พลังงานธรณีที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรและเข้าสู่วงการนำไฟฟ้านั้นเรียกว่าช่องว่างของวง มันคล้ายกับฟังก์ชั่นการทำงาน

ความยาวคลื่นต่ำสุดและสูงสุด

สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่จะพัฒนาข้ามทางแยก PN ของเซลล์แสงอาทิตย์ รังสีที่ตกกระทบจะต้องเกินพลังงานช่องว่างของวงดนตรี สิ่งนี้แตกต่างกันสำหรับวัสดุที่แตกต่างกัน มันเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ 1.11 สำหรับซิลิคอนซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ หนึ่งอิเล็กตรอนโวลต์ = 1.6 × 10^-19 จูลดังนั้นพลังงานช่องว่างของวงคือ 1.78 × 10^-19 จูลส์ การจัดเรียงสมการใหม่และการแก้ความยาวคลื่นจะบอกความยาวคลื่นของแสงที่สอดคล้องกับพลังงานนี้:

w = hc / E = 1,110 นาโนเมตร (1.11 × 10^-6 เมตร)

ความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นเกิดขึ้นระหว่าง 400 และ 700 นาโนเมตรดังนั้นความยาวคลื่นแบนด์วิดท์สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนอยู่ในช่วงอินฟราเรดที่ใกล้มาก การแผ่รังสีใด ๆ ที่มีความยาวคลื่นนานกว่าเช่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุจะไม่มีพลังงานในการผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์

โฟตอนใด ๆ ที่มีพลังงานสูงกว่า 1.11 eV สามารถขับอิเล็กตรอนออกจากอะตอมซิลิคอนและนำไปสู่วงนำไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติโฟตอนความยาวคลื่นสั้นมาก (ด้วยพลังงานมากกว่า 3 eV) อิเล็กตรอนจะถูกแยกออกจากวงนำและทำให้พวกมันไม่สามารถทำงานได้ เกณฑ์ความยาวคลื่นบนเพื่อรับงานที่เป็นประโยชน์จากผลกระทบของโฟโตอิเล็กทริกในแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์วัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง

ความยาวคลื่นพลังงานแสงอาทิตย์และประสิทธิภาพของเซลล์

กล่าวโดยสรุปเซลล์ PV มีความไวต่อแสงจากสเปกตรัมทั้งหมดตราบใดที่ความยาวคลื่นอยู่เหนือช่องว่างของแถบความถี่ของวัสดุที่ใช้สำหรับเซลล์ แต่แสงความยาวคลื่นสั้นมากสูญเปล่า นี่เป็นหนึ่งในปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ อีกประการหนึ่งคือความหนาของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ถ้าโฟตอนต้องเดินทางผ่านวัสดุพวกเขาสูญเสียพลังงานจากการชนกับอนุภาคอื่นและอาจมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะขับอิเล็กตรอนออกมา

ปัจจัยที่สามที่มีผลต่อประสิทธิภาพคือการสะท้อนของเซลล์แสงอาทิตย์ แสงตกกระทบบางส่วนกระเด้งออกมาจากพื้นผิวของเซลล์โดยไม่ต้องเผชิญหน้ากับอิเล็กตรอน เพื่อลดการสูญเสียจากการสะท้อนแสงและเพิ่มประสิทธิภาพผู้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์มักเคลือบเซลล์ด้วยวัสดุที่ไม่ดูดซับแสงและดูดซับแสง นี่คือเหตุผลที่เซลล์สุริยะมักจะเป็นสีดำ