Kandungan
- Kesan Tenaga Tenaga Tenaga Suria pada Tenaga Elektron
- Fungsi Kerja dan Gap Band
- Panjang dan Maksimum Panjang Gelombang
- Tenaga Tenaga Tenaga Matahari dan Kecekapan Sel
Sel solar bergantung pada fenomena yang dikenali sebagai kesan fotovoltaik, yang ditemui oleh ahli fizik Perancis, Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Ia berkaitan dengan kesan fotoelektrik, suatu fenomena di mana elektron dikeluarkan daripada bahan yang mengendalikan apabila cahaya bersinar di atasnya. Albert Einstein (1879-1955) memenangi Hadiah Nobel 1921 dalam fizik untuk penjelasannya tentang fenomena itu, menggunakan prinsip kuantum yang baru pada masa itu. Berbeza dengan kesan fotoelektrik, kesan fotovoltaik berlaku di sempadan dua plat semikonduktor, bukan pada plat tunggal. Tiada elektron yang sebenarnya dikeluarkan apabila cahaya bersinar. Sebaliknya, mereka mengumpulkan di sepanjang sempadan untuk mencipta voltan. Apabila anda menyambungkan kedua-dua plat dengan dawai yang mengendalikan, arus akan mengalir dalam dawai.
Einsteins pencapaian hebat, dan sebab yang dia memenangi Hadiah Nobel, adalah untuk menyedari bahawa tenaga elektron yang dikeluarkan dari plat fotoelektrik bergantung - bukan pada intensiti cahaya (amplitud), seperti teori gelombang yang diramalkan - tetapi pada kekerapan, iaitu songsang panjang gelombang. Yang lebih pendek adalah panjang gelombang cahaya kejadian, semakin tinggi frekuensi cahaya dan lebih banyak tenaga yang dimiliki oleh elektron yang dikeluarkan. Dengan cara yang sama, sel fotovoltaik sensitif kepada panjang gelombang dan bertindak balas dengan lebih baik kepada cahaya matahari di beberapa bahagian spektrum daripada yang lain. Untuk memahami mengapa, ia membantu untuk mengkaji penjelasan Einsteins mengenai kesan fotoelektrik.
Kesan Tenaga Tenaga Tenaga Suria pada Tenaga Elektron
Einsteins penjelasan mengenai kesan fotoelektrik membantu menubuhkan model kuantum cahaya. Setiap bundle cahaya, yang dipanggil foton, mempunyai tenaga ciri yang ditentukan oleh kekerapan getarannya. Energi (E) foton diberikan oleh undang-undang Plancks: E = hf, di mana f ialah kekerapan dan h ialah pemalar Plancks (6.626 × 10−34 joule ∙ kedua). Walaupun foton mempunyai sifat zarah, ia juga mempunyai ciri-ciri gelombang, dan untuk mana-mana gelombang, kekerapannya adalah kebalikan dari panjang gelombangnya (yang dinyatakan di sini oleh w). Sekiranya kelajuan cahaya adalah c, maka f = c / w, dan undang-undang Plancks boleh ditulis:
E = hc / w
Apabila foton adalah kejadian pada bahan yang mengendalikan, mereka bertabrakan dengan elektron dalam atom individu. Sekiranya foton mempunyai tenaga yang mencukupi, mereka mengetuk elektron di cengkerang paling jauh. Elektron ini kemudian bebas untuk diedarkan melalui bahan. Bergantung kepada tenaga foton insiden, mereka boleh dikeluarkan dari bahan sama sekali.
Menurut hukum Plancks, tenaga foton insiden berkadar berkadar dengan panjang gelombang mereka. Radiasi gelombang pendek menduduki hujung spektrum ungu dan termasuk radiasi ultraviolet dan sinar gamma. Sebaliknya, radiasi panjang gelombang panjang menduduki hujung merah dan termasuk sinaran inframerah, gelombang mikro dan gelombang radio.
Cahaya matahari mengandungi keseluruhan spektrum radiasi, tetapi hanya cahaya dengan panjang gelombang yang cukup pendek akan menghasilkan kesan fotoelektrik atau fotovoltaik. Ini bermakna bahawa sebahagian daripada spektrum solar berguna untuk menjana elektrik. Ia tidak peduli betapa terang atau cerah cahaya itu. Ia hanya perlu - sekurang-kurangnya - panjang gelombang sel solar. Sinaran ultraviolet berkuasa tinggi boleh menembusi awan, yang bermaksud bahawa sel solar harus berfungsi pada hari-hari yang mendung - dan mereka lakukan.
Fungsi Kerja dan Gap Band
Foton mesti mempunyai nilai tenaga minimum untuk membangkitkan elektron cukup untuk mengetuknya dari orbital mereka dan membolehkan mereka bergerak dengan bebas. Dalam bahan yang mengendalikan, tenaga minimum ini dipanggil fungsi kerja, dan berbeza untuk setiap bahan yang sedang dijalankan. Tenaga kinetik elektron yang dilepaskan oleh perlanggaran dengan foton adalah sama dengan tenaga foton tolak fungsi kerja.
Dalam sel fotovoltaik, dua bahan semikonduktor yang berbeza bersatu untuk membuat fizik yang memanggil persimpangan PN. Dalam praktiknya, ia biasa menggunakan bahan tunggal, seperti silikon, dan mengawalnya dengan bahan kimia yang berbeza untuk membuat persimpangan ini. Sebagai contoh, doping silikon dengan antimoni menghasilkan semikonduktor N-jenis, dan doping dengan boron menjadikan semikonduktor P-jenis. Elektron mengetuk keluar dari orbit mereka mengumpul berhampiran persimpangan PN dan meningkatkan voltan di seberangnya. Enjin ambang untuk mengetuk elektron keluar dari orbitnya dan ke jalur konduksi dikenali sebagai jurang band. Ia sama dengan fungsi kerja.
Panjang dan Maksimum Panjang Gelombang
Untuk voltan untuk membangunkan seluruh PN-simpang sel solar. sinaran kejadian mesti melebihi tenaga jurang band. Ini berbeza dengan bahan yang berlainan. Ia adalah 1.11 voltan elektron untuk silikon, yang merupakan bahan yang paling sering digunakan untuk sel solar. Satu voltan elektron = 1.6 × 10-19 joules, jadi tenaga jurang band adalah 1.78 × 10-19 joules. Penyusunan Persamaan dan penyelesaian untuk gelombang panjang memberitahu anda panjang gelombang cahaya yang sepadan dengan tenaga ini:
w = hc / E = 1,110 nanometer (1.11 × 10-6 meter)
Panjang gelombang cahaya yang boleh dilihat berlaku di antara 400 dan 700 nm, jadi panjang gelombang bandwidth untuk sel suria silikon berada dalam julat inframerah yang sangat dekat. Mana-mana radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang, seperti gelombang mikro dan gelombang radio, tidak mempunyai tenaga untuk mengeluarkan elektrik dari sel solar.
Mana-mana foton dengan tenaga yang lebih besar daripada 1.11 eV boleh menghilangkan elektron dari atom silikon dan masuk ke jalur konduksi. Dalam amalan, bagaimanapun, foton panjang gelombang yang sangat pendek (dengan tenaga lebih daripada kira-kira 3 eV) elektron keluar dari jalur konduksi dan menjadikannya tidak dapat berfungsi. Ambang panjang gelombang atas untuk mendapatkan kerja yang berguna daripada kesan fotoelektrik dalam panel solar bergantung kepada struktur sel solar, bahan-bahan yang digunakan dalam pembinaan dan ciri litarnya.
Tenaga Tenaga Tenaga Matahari dan Kecekapan Sel
Singkatnya, sel PV sensitif kepada cahaya dari seluruh spektrum selagi panjang gelombang adalah di atas jurang band bahan yang digunakan untuk sel, tetapi cahaya panjang gelombang yang sangat pendek terbuang. Ini adalah salah satu faktor yang mempengaruhi kecekapan sel solar. Satu lagi adalah ketebalan bahan semikonduktor. Jika foton perlu bergerak jauh melalui bahan, mereka kehilangan tenaga melalui perlanggaran dengan zarah lain dan mungkin tidak mempunyai tenaga yang cukup untuk menghilangkan elektron.
Faktor ketiga yang mempengaruhi kecekapan ialah pemantulan sel solar. Sebilangan kecil cahaya kejadian memantul dari permukaan sel tanpa menjumpai elektron. Untuk mengurangkan kerugian daripada pemantulan dan meningkatkan kecekapan, pengeluar sel solar biasanya melapisi sel-sel dengan bahan yang tidak menyerap dan menyerap cahaya. Inilah sebab mengapa sel suria biasanya hitam.