NộI Dung
- Ảnh hưởng của bước sóng năng lượng mặt trời đến năng lượng điện tử
- Chức năng làm việc và Band Gap
- Bước sóng tối thiểu và tối đa
- Bước sóng năng lượng mặt trời và hiệu quả tế bào
Pin mặt trời phụ thuộc vào một hiện tượng được gọi là hiệu ứng quang điện, được phát hiện bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Nó liên quan đến hiệu ứng quang điện, một hiện tượng mà các electron được đẩy ra từ một vật liệu dẫn điện khi ánh sáng chiếu vào nó. Albert Einstein (1879-1955) đã giành giải thưởng Nobel vật lý năm 1921 nhờ giải thích về hiện tượng đó, sử dụng các nguyên lý lượng tử mới ở thời điểm đó. Không giống như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng quang điện diễn ra ở ranh giới của hai tấm bán dẫn, không phải trên một tấm dẫn điện. Không có điện tử thực sự bị đẩy ra khi ánh sáng chiếu vào. Thay vào đó, chúng tích lũy dọc theo ranh giới để tạo ra một điện áp. Khi bạn kết nối hai bản với một dây dẫn, một dòng điện sẽ chạy trong dây.
Thành tựu to lớn của Einsteins, và lý do khiến ông giành giải thưởng Nobel, là để nhận ra rằng năng lượng của các electron được đẩy ra từ một tấm quang điện phụ thuộc - không phải ở cường độ ánh sáng (biên độ), như lý thuyết sóng dự đoán - mà là tần số, đó là nghịch đảo của bước sóng. Bước sóng của ánh sáng tới càng ngắn, tần số ánh sáng càng cao và năng lượng của các electron bị đẩy ra càng nhiều. Theo cách tương tự, các tế bào quang điện rất nhạy cảm với bước sóng và phản ứng tốt hơn với ánh sáng mặt trời ở một số phần của quang phổ so với các phần khác. Để hiểu lý do tại sao, nó giúp xem xét giải thích của Einsteins về hiệu ứng quang điện.
Ảnh hưởng của bước sóng năng lượng mặt trời đến năng lượng điện tử
Giải thích của Einsteins về hiệu ứng quang điện đã giúp thiết lập mô hình lượng tử ánh sáng. Mỗi bó ánh sáng, được gọi là photon, có năng lượng đặc trưng được xác định bởi tần số rung động của nó. Năng lượng (E) của một photon được cho bởi định luật Plancks: E = hf, trong đó f là tần số và h là hằng số Plancks (6.626 × 10−34 joule ∙ giây). Mặc dù thực tế là một photon có bản chất hạt, nó cũng có đặc tính sóng và đối với bất kỳ sóng nào, tần số của nó là đối ứng của bước sóng của nó (ở đây được ký hiệu là w). Nếu tốc độ ánh sáng là c, thì f = c / w và luật Plancks có thể được viết:
E = hc / w
Khi các photon là sự cố trên một vật liệu dẫn điện, chúng va chạm với các electron trong các nguyên tử riêng lẻ. Nếu các photon có đủ năng lượng, chúng sẽ đánh bật các electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Những electron này sau đó được tự do lưu thông qua vật liệu. Tùy thuộc vào năng lượng của các photon tới, chúng có thể bị đẩy ra khỏi vật liệu hoàn toàn.
Theo định luật Plancks, năng lượng của các photon tới tỷ lệ nghịch với bước sóng của chúng. Bức xạ bước sóng ngắn chiếm phần cuối màu tím của quang phổ và bao gồm bức xạ cực tím và tia gamma. Mặt khác, bức xạ bước sóng dài chiếm đầu đỏ và bao gồm bức xạ hồng ngoại, sóng vi ba và sóng vô tuyến.
Ánh sáng mặt trời chứa toàn bộ phổ bức xạ, nhưng chỉ ánh sáng có bước sóng đủ ngắn sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện hoặc quang điện. Điều này có nghĩa là một phần của phổ mặt trời rất hữu ích cho việc tạo ra điện. Không quan trọng ánh sáng sáng hay mờ như thế nào. Nó chỉ cần có - ở mức tối thiểu - bước sóng pin mặt trời. Bức xạ cực tím năng lượng cao có thể xuyên qua các đám mây, điều đó có nghĩa là pin mặt trời sẽ hoạt động vào những ngày nhiều mây - và chúng cũng vậy.
Chức năng làm việc và Band Gap
Một photon phải có giá trị năng lượng tối thiểu để kích thích các electron đủ để đánh bật chúng khỏi quỹ đạo của chúng và cho phép chúng di chuyển tự do. Trong một vật liệu dẫn điện, năng lượng tối thiểu này được gọi là hàm làm việc và nó khác nhau đối với mọi vật liệu dẫn điện. Động năng của một electron được giải phóng khi va chạm với một photon bằng năng lượng của photon trừ đi chức năng làm việc.
Trong một tế bào quang điện, hai vật liệu bán dẫn khác nhau được hợp nhất để tạo ra thứ mà các nhà vật lý gọi là tiếp giáp PN. Trong thực tế, người ta thường sử dụng một vật liệu duy nhất, chẳng hạn như silicon và pha tạp nó với các hóa chất khác nhau để tạo ra mối nối này. Ví dụ, pha tạp silicon với antimon tạo ra chất bán dẫn loại N và pha tạp với boron tạo ra chất bán dẫn loại P. Các electron bị loại ra khỏi quỹ đạo của chúng thu thập gần ngã ba PN và tăng điện áp trên nó. Năng lượng ngưỡng để đẩy một electron ra khỏi quỹ đạo của nó và vào dải dẫn được gọi là khoảng cách dải. Nó tương tự như chức năng làm việc.
Bước sóng tối thiểu và tối đa
Đối với một điện áp để phát triển trên ngã ba PN của pin mặt trời. bức xạ sự cố phải vượt quá năng lượng khoảng cách dải. Điều này là khác nhau cho các vật liệu khác nhau. Đó là 1,11 volt điện tử cho silicon, đây là vật liệu được sử dụng thường xuyên nhất cho pin mặt trời. Một electron volt = 1.6 × 10-19 joules, vì vậy năng lượng khoảng cách dải là 1,78 × 10-19 joules. Sắp xếp lại phương trình Planks và giải quyết bước sóng cho bạn biết bước sóng ánh sáng tương ứng với năng lượng này:
w = hc / E = 1.110 nanomet (1.11 × 10-6 mét)
Các bước sóng của ánh sáng khả kiến xảy ra trong khoảng từ 400 đến 700nm, vì vậy bước sóng băng thông cho pin mặt trời silicon nằm trong phạm vi rất gần hồng ngoại. Bất kỳ bức xạ nào có bước sóng dài hơn, chẳng hạn như sóng vi ba và sóng vô tuyến, đều thiếu năng lượng để sản xuất điện từ pin mặt trời.
Bất kỳ photon nào có năng lượng lớn hơn 1,11 eV đều có thể đánh bật một electron khỏi nguyên tử silicon và nó vào dải dẫn. Tuy nhiên, trong thực tế, các photon bước sóng rất ngắn (có năng lượng lớn hơn khoảng 3 eV) các electron thoát ra khỏi dải dẫn và khiến chúng không có sẵn để thực hiện công việc. Ngưỡng bước sóng trên để có được công việc hữu ích từ hiệu ứng quang điện trong các tấm pin mặt trời phụ thuộc vào cấu trúc của pin mặt trời, các vật liệu được sử dụng trong cấu trúc của nó và các đặc tính mạch.
Bước sóng năng lượng mặt trời và hiệu quả tế bào
Nói tóm lại, các tế bào PV rất nhạy cảm với ánh sáng từ toàn bộ quang phổ miễn là bước sóng nằm trên khoảng cách dải của vật liệu được sử dụng cho tế bào, nhưng ánh sáng bước sóng cực ngắn bị lãng phí. Đây là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả pin mặt trời. Một cái khác là độ dày của vật liệu bán dẫn. Nếu các photon phải di chuyển một quãng đường dài qua vật liệu, chúng sẽ mất năng lượng thông qua va chạm với các hạt khác và có thể không có đủ năng lượng để đánh bật một electron.
Một yếu tố thứ ba ảnh hưởng đến hiệu quả là độ phản xạ của pin mặt trời. Một phần nhất định của ánh sáng tới bật ra khỏi bề mặt tế bào mà không gặp phải electron. Để giảm tổn thất từ độ phản xạ và tăng hiệu quả, các nhà sản xuất pin mặt trời thường phủ lên các tế bào một vật liệu không hấp thụ ánh sáng. Đây là lý do tại sao pin mặt trời thường có màu đen.