Teoria fotowoltaiki

Na początek poznajmy kluczowe punkty w efekcie fotoelektrycznym. Bez tego montaż fotowoltaiki będzie jak czarna magia.

W efekcie fotoelektrycznym elektrony są emitowane z materii (zwykle z metali i niemetalicznych cząstek stałych) z powodu pochłaniania przez nie energii promieniowania elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości, takiego jak światło ultrafioletowe.

Gdy promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z atomem, albo wzbudza elektrony do wyższego poziomu energii, znanego jako stan wzbudzony i energia światła jest wystarczająco wysoka, może jonizować atom, usuwając elektron.

Dla każdego metalu istnieje pewna, minimalna częstotliwość promieniowania padającego, poniżej której fotoelektrony nie są emitowane. Częstotliwość ta nazywana jest częstotliwością progową.

W efekcie fotoelektrycznym elektrony są emitowane z substancji (metali i niemetalicznych cząstek stałych, cieczy lub gazów) w wyniku pochłaniania przez nie energii promieniowania elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości (krótkiej długości fali), takiego jak promieniowanie ultrafioletowe. Elektrony emitowane w ten sposób mogą być określane jako fotoelektrony. Po raz pierwszy zjawisko to zaobserwował Heinrich Hertz w 1887 roku.

Efekt fotoelektryczny wykazano przy użyciu światła o energii od kilku elektronowoltów do ponad 1 mega elektronowolta w elementach o wysokiej liczbie atomowej. Badanie efektu fotoelektrycznego doprowadziło do lepszego zrozumienia mechaniki kwantowej, a także do zrozumienia dualności światła między falami i cząsteczkami. Doprowadziło to również do odkrycia przez Maxa Plancka kwantów, które wiążą częstotliwość z energią fotonów.

Stała Plancka, jest to stała w skali subatomowej i jedna z najmniejszych stałych stosowanych w fizyce. Inne zjawiska, w których światło wpływa na ruch ładunków elektrycznych, obejmują efekt foto przewodzący (znany również jako fotoprzewodnictwo lub foto rezystywność), efekt fotoelektryczny i efekt foto elektrochemiczny.

Dofinansowanie na fotowoltaikę 2021

Mechanizm emisji

Wszystkie atomy mają swoje elektrony na orbitach o dobrze określonych poziomach energii. Kiedy promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z atomem, może wzbudzić elektron do wyższego poziomu energii, który może następnie spaść ponownie, Wracając do stanu podstawowego. Jeśli jednak energia światła jest taka, że elektron jest wzbudzany powyżej poziomów energii związanych z atomem, elektron może faktycznie uwolnić się od atomu, powodując jonizację atomu. Jest to zasadniczo efekt fotoelektryczny.

Fotony wiązki światła mają charakterystyczną energię proporcjonalną do częstotliwości światła. W procesie fotoemisji, jeśli elektron w pewnym materiale pochłania energię pojedynczego fotonu i zyskuje więcej energii niż praca wyjścia materiału (energia wiązania elektronu), jest on wyrzucany. Jeśli energia fotonu jest zbyt mała, elektron nie może opuścić materiału. Zwiększenie intensywności światła zwiększa liczbę fotonów w wiązce światła, a tym samym zwiększa liczbę wzbudzonych elektronów, ale nie zwiększa energii posiadanej przez każdy elektron. Energia emitowanych elektronów nie zależy od intensywności przychodzącego światła (liczby fotonów), tylko od energii lub częstotliwości poszczególnych fotonów. Jest to interakcja między padającym fotonem a zewnętrznym elektronem.

Elektrony mogą pochłaniać energię z fotonów po napromieniowaniu, ale zwykle przestrzegają zasady wszystko albo nic. Zazwyczaj pojedynczy foton jest albo wystarczająco energiczny, aby spowodować emisję elektronu, albo energia jest tracona, gdy atom powraca do stanu podstawowego. Jeśli nadmiar energii fotonu zostanie pochłonięty, część energii uwalnia elektron z atomu, a reszta przyczynia się do energii kinetycznej elektronu w postaci wolnej cząstki.

Dla danego metalu istnieje pewna minimalna częstotliwość promieniowania padającego, poniżej której fotoelektrony nie są emitowane. Częstotliwość ta nazywana jest częstotliwością progową. Zwiększenie częstotliwości padającej wiązki i zachowanie stałej liczby padających fotonów (co powoduje proporcjonalny wzrost energii) zwiększa maksymalną energię kinetyczną emitowanych fotoelektronów. Liczba emitowanych elektronów również się zmienia, ponieważ prawdopodobieństwo, że każdy działający foton prowadzi do wyemitowania elektronu, jest funkcją energii fotonu. Jeśli jednak zwiększy się tylko intensywność promieniowania padającego, nie wpłynie to na energię kinetyczną fotoelektronów.

Dla danego metalu i częstotliwości promieniowania padającego szybkość emisji fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do intensywności padającego światła. Zwiększenie intensywności wiązki padającej (utrzymanie stałej częstotliwości) zwiększa ilość prądu fotowoltaicznego, chociaż napięcie hamowania pozostaje takie samo. Przedział czasowy między spadkiem promieniowania a emisją fotoelektronu jest bardzo mały, mniej niż 10-9 sekund i nie ma na niego wpływu zmiana intensywności.