תוֹכֶן
- השפעת אורך הגל של אנרגיה סולארית על אנרגיה אלקטרונית
- פונקציית עבודה ופער בנד
- אורכי גל מינימום ומקסימום
- אורך גל אנרגיה סולארית ויעילות התא
תאים סולאריים תלויים בתופעה המכונה האפקט הפוטו-וולטאי, שהתגלה על ידי הפיזיקאי הצרפתי אלכסנדר אדמונד בקרל (1820-1891). זה קשור לאפקט הפוטואלקטרי, תופעה שבאמצעותה נפלטים אלקטרונים מחומר מוליך כאשר אור מאיר עליו. אלברט איינשטיין (1879-1955) זכה בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1921 על הסברו על אותה תופעה, תוך שימוש בעקרונות קוונטיים שהיו חדשים באותה תקופה. בניגוד לאפקט הפוטואלקטרי, האפקט הפוטו-וולטאי מתרחש בגבול של שתי לוחות מוליכים למחצה, ולא על צלחת מוליכה אחת. אף אלקטרונים לא נפלטים כאשר האור מאיר. במקום זאת הם מצטברים לאורך הגבול ליצירת מתח. כשאתה מחבר בין שתי הלוחות לחוט מוליך, זרם יזרום בחוט.
ההישג הגדול של איינשטיין, והסיבה שבגללה זכה בפרס נובל, הייתה להכיר בכך שאנרגיית האלקטרונים שהוצאו מפלטה פוטו-אלקטרית הייתה תלויה - לא בעוצמת האור (המשרעת), כפי שחזה תורת הגלים - אלא על התדר, שהוא ההיפוך של אורך הגל. ככל שאורך הגל הקצר של האור המקורי קצר יותר, כך תדירות האור גבוהה יותר והאנרגיה שיש בידי אלקטרונים שנפלטים גבוהה יותר. באותו אופן, תאים פוטו-וולטאים רגישים לאורכי הגל ומגיבים טוב יותר לאור השמש בחלקים מסוימים של הספקטרום מאשר באחרים. כדי להבין מדוע זה עוזר לבחון את ההסבר של איינשטיין על ההשפעה הפוטואלקטרית.
השפעת אורך הגל של אנרגיה סולארית על אנרגיה אלקטרונית
ההסבר של איינשטיין על ההשפעה הפוטואלקטרית עזר לבסס את מודל האור הקוונטי. לכל צרור אור, הנקרא פוטון, יש אנרגיה אופיינית הנקבעת על פי תדירות הרטט שלו. האנרגיה (E) של פוטון ניתנת על ידי חוק פלאנקס: E = hf, כאשר f הוא התדר ו- h הוא פלאנקס קבוע (6.626 × 10−34 ג'ול ∙ שני). למרות העובדה שלפוטון יש אופי חלקיקי, יש לו גם מאפייני גלים, ולגבי כל גל, התדר שלו הוא הדדי של אורך הגל שלו (שמצוין כאן על ידי w). אם מהירות האור היא c, אז f = c / w, וניתן לכתוב את חוק פלאנקס:
E = hc / w
כאשר פוטונים מתרחשים על חומר מוליך, הם מתנגשים עם האלקטרונים באטומים האישיים. אם לפוטונים יש מספיק אנרגיה, הם מכים את האלקטרונים בקליפות החיצוניות ביותר. אז אלקטרונים אלה חופשיים להסתובב דרך החומר. תלוי באנרגיה של פוטונים מהאירוע, הם עלולים להיפלט מהחומר לחלוטין.
על פי חוק פלאנקס, האנרגיה של פוטוני האירוע היא ביחס הפוך לאורך הגל שלהם. קרינה באורך גל קצר תופסת את הקצה הסגול של הספקטרום וכוללת קרינה אולטרה סגולה וקרני גאמה. לעומת זאת, קרינה באורך גל ארוך תופסת את הקצה האדום וכוללת קרינה אינפרא אדום, גלי מיקרו וגלי רדיו.
אור השמש מכיל ספקטרום שלם של קרינה, אך רק אור בעל אורך גל מספיק קצר יפיק את ההשפעות הפוטואלקטריות או הפוטו-וולטאיות. המשמעות היא שחלק מספקטרום השמש מועיל לייצור חשמל. לא משנה עד כמה האור בהיר או עמום. זה פשוט צריך להיות - לכל הפחות, את אורך הגל של התא הסולארי. קרינה אולטרה סגולה בעלת אנרגיה גבוהה יכולה לחדור לעננים, מה שאומר שתאי השמש צריכים לתפקד בימים מעוננים - והם כן.
פונקציית עבודה ופער בנד
פוטון חייב להיות בעל ערך מינימלי של אנרגיה כדי לרגש אלקטרונים מספיק בכדי להפיל אותם מהאורביטלים שלהם ולאפשר להם לנוע בחופשיות. בחומר מוליך, אנרגיה מינימלית זו נקראת פונקציית העבודה, ושונה לכל חומר מוליך. האנרגיה הקינטית של אלקטרון המשתחרר מהתנגשות עם פוטון שווה לאנרגיה של הפוטון מינוס פונקציית העבודה.
בתא פוטו-וולטאי, שני חומרים מוליכים למחצה מוליכים למחצה כדי ליצור את מה שהפיזיקאים מכנים צומת PN. בפועל, מקובל להשתמש בחומר יחיד, כמו סיליקון, ולהטמט אותו בכימיקלים שונים ליצירת צומת זו. לדוגמה, סמים סיליקון עם אנטימון יוצר מוליך למחצה מסוג N, וסמים עם בורון הופכים מוליכים למחצה מסוג P. אלקטרונים שהוצאו ממסלוליהם נאספים ליד צומת PN ומגבירים את המתח שמעליו. אנרגיית הסף להוצאת אלקטרון ממסלולו ולתוך רצועת ההולכה ידועה כמרווח הלהקה. זה דומה לפונקציית העבודה.
אורכי גל מינימום ומקסימום
לפיתוח מתח על פני צומת PN של תא סולרי. קרינת האירוע צריכה לעלות על אנרגיית פער הפס. זה שונה עבור חומרים שונים. זהו 1.11 וולט אלקטרוני לסיליקון, שהוא החומר המשמש לרוב לתאים סולאריים. וולט אלקטרוני אחד = 1.6 × 10-19 ג'ול, כך שאנרגיית הפער של הלהקה היא 1.78 × 10-19 ג'ולס. סידור מחדש של משוואת הקרשים ופתרון אורך הגל מורה לכם את אורך הגל של האור שמתאים לאנרגיה זו:
w = hc / E = 1,110 ננומטר (1.11 × 10-6 מטרים)
אורכי הגל של האור הנראה מתרחשים בין 400 ל 700 ננומטר, כך שאורך הגל של רוחב הפס לתאי השמש הסיליקון נמצא בתחום האינפרא אדום הקרוב מאוד. כל קרינה באורך גל ארוך יותר, כגון מיקרוגל וגלי רדיו, חסרה אנרגיה לייצור חשמל מתא סולרי.
כל פוטון בעל אנרגיה העולה על 1.11 eV יכול לנתק אלקטרון מאטום סיליקון והוא לתוך פס ההולכה. אולם בפועל, פוטונים קצרים מאוד באורך גל (עם אנרגיה של יותר מ- 3 eV) אלקטרונים מפנים את רצועת ההולכה והופכים אותם ללא זמינים לעבודה. סף אורך הגל העליון לקבלת עבודה מועילה מההשפעה הפוטואלקטרית בלוחות סולאריים תלוי במבנה תא השמש, בחומרים המשמשים בבנייתו ובמאפייני המעגל.
אורך גל אנרגיה סולארית ויעילות התא
בקיצור, תאי PV רגישים לאור מכל הספקטרום כל עוד אורך הגל נמצא מעל פער הפס של החומר המשמש לתא, אך אור אורך גל קצר מבוזבז. זה אחד הגורמים המשפיעים על יעילות תאים סולאריים. דבר נוסף הוא עובי החומר המוליך למחצה. אם פוטונים צריכים לעבור דרך ארוכה דרך החומר, הם מאבדים אנרגיה כתוצאה מהתנגשויות עם חלקיקים אחרים וייתכן שאין להם מספיק אנרגיה בכדי לפרוק אלקטרונים.
גורם שלישי המשפיע על היעילות הוא הרפלקטיביות של התא הסולארי. חלק מסוים של אור אירוע מקפיץ מעל פני התא בלי להיתקל באלקטרון. כדי לצמצם הפסדים מהרהור ולהגדיל את היעילות, יצרני תאים סולאריים בדרך כלל מצפים את התאים בחומר לא רעיוני וסופג אור. זו הסיבה שתאים סולאריים בדרך כלל שחורים.