Фотоэлектрический эффект
Фотоэлектрический эффект — это генерация напряжения и электрического тока в материале под воздействием света . Это физическое явление. [1]
Фотоэлектрический эффект тесно связан с фотоэлектрическим эффектом . В обоих случаях свет поглощается, вызывая возбуждение электрона или другого носителя заряда в состояние с более высокой энергией. Основное различие состоит в том, что термин «фотоэлектрический эффект» теперь обычно используется, когда электрон выбрасывается из материала (обычно в вакуум), а термин «фотоэлектрический эффект» используется, когда возбужденный носитель заряда все еще содержится внутри материала. В любом случае электрический потенциал (или напряжение) создается в результате разделения зарядов, и свет должен иметь достаточную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер для возбуждения. Физическая суть различия обычно заключается в том, что фотоэлектрическая эмиссия разделяет заряды посредством баллистической проводимости , а фотогальваническая эмиссия разделяет их путем диффузии, но некоторые концепции фотоэлектрических устройств с «горячими носителями» стирают это различие.
История
[ редактировать ]Первая демонстрация фотоэлектрического эффекта Эдмоном Беккерелем в 1839 году использовала электрохимическую ячейку. Он объяснил свое открытие в Comptes rendus de l'Académie des Sciences «производством электрического тока, когда две пластины из платины или золота, погруженные в кислый, нейтральный или щелочной раствор, неравномерно подвергаются солнечному излучению». [2]
Первый солнечный элемент, состоящий из слоя селена, покрытого тонкой пленкой золота, был экспериментирован Чарльзом Фриттсом в 1884 году, но он имел очень низкую эффективность. [3] Однако наиболее известная форма фотоэлектрического эффекта использует твердотельные устройства, в основном фотодиоды . Когда на фотодиод падает солнечный свет или другой достаточно энергичный свет, электроны, находящиеся в валентной зоне, поглощают энергию и, возбуждаясь, перепрыгивают в зону проводимости и становятся свободными. Эти возбужденные электроны диффундируют, а некоторые достигают выпрямляющего перехода (обычно диодного p–n-перехода ), где они ускоряются в полупроводниковый материал n-типа за счет встроенного потенциала ( потенциала Гальвани ). Это генерирует электродвижущую силу и электрический ток, и, таким образом, часть световой энергии преобразуется в электрическую энергию. Фотоэлектрический эффект также может возникнуть, когда два фотона поглощаются одновременно в процессе, называемом двухфотонным фотоэлектрическим эффектом .
Физика
[ редактировать ]Помимо прямого фотовольтаического возбуждения свободных электронов, электрический ток может возникнуть и за счет эффекта Зеебека . Когда проводящий или полупроводниковый материал нагревается за счет поглощения электромагнитного излучения, нагрев может привести к увеличению температурных градиентов в полупроводниковом материале или к разнице между материалами. Эти температурные различия, в свою очередь, могут генерировать напряжение, поскольку уровни энергии электронов смещаются по-разному в разных областях, создавая разность потенциалов между этими областями, что, в свою очередь, создает электрический ток. Относительный вклад фотоэлектрического эффекта по сравнению с эффектом Зеебека зависит от многих характеристик составляющих материалов. [ нужна ссылка ]
Все вышеперечисленные эффекты генерируют постоянный ток. Первая демонстрация фотоэлектрического эффекта переменного тока (AC PV) была проведена доктором Хайян Цзоу и профессором Чжун Линь Вангом в Технологическом институте Джорджии в 2017 году. Эффект AC PV — это генерация переменный ток (AC) в неравновесных состояниях, когда свет периодически светит на стык или границу раздела материалов. [5] Эффект AC PV основан на емкостной модели, согласно которой ток сильно зависит от частоты прерывателя. Предполагается, что эффект AC PV является результатом относительного смещения и перестройки между квазиуровнями Ферми полупроводников, прилегающих к переходу/интерфейсу, в неравновесных условиях. Электроны движутся во внешней цепи взад и вперед, чтобы уравновесить разность потенциалов между двумя электродами. Органический солнечный элемент, материалы которого не имеют начальной концентрации носителей, не обладают фотоэлектрическим эффектом переменного тока.
Влияние температуры
[ редактировать ]Производительность фотоэлектрического модуля зависит от условий окружающей среды, в основном от общей падающей освещенности G на плоскости модуля. Однако температура Т p–n-перехода влияет и на основные электрические параметры: ток короткого замыкания ISC, напряжение холостого хода VOC и максимальную мощность Pmax. Первые исследования поведения клеток ПВ в различных условиях G и Т датируются несколько десятилетий назад.1-4 В целом известно, что ЛОС демонстрирует значительную обратную корреляцию с Т, тогда как для ISC эта корреляция прямая, но слабее, так что это приращение не компенсирует снижение ЛОС. Как следствие, Pmax уменьшается с увеличением T. Такая корреляция между выходной мощностью солнечного элемента и рабочей температурой его перехода зависит от материала полупроводника2 и обусловлена влиянием Т на концентрацию, время жизни и подвижность собственных носителей заряда, то есть электронов и дырок. , внутри фотоэлемента.
Температурная чувствительность обычно описывается некоторыми температурными коэффициентами, каждый из которых выражает производную параметра, к которому он относится, по температуре перехода. Значения этих параметров можно найти в технических характеристиках любого фотоэлектрического модуля; они следующие:
– β Коэффициент изменения ЛОС в зависимости от Т, определяемый как ∂ЛОС/∂Т.
– α Коэффициент вариации ISC относительно T, определяемый как ∂ISC/∂T.
– δ Коэффициент изменения Pmax относительно T, определяемый как ∂Pmax/∂T.
Методики оценки этих коэффициентов по экспериментальным данным можно найти в литературе. [6] Лишь немногие исследования анализируют изменение последовательного сопротивления в зависимости от температуры элемента или модуля. Эта зависимость изучается путем соответствующей обработки кривой ток-напряжение. Температурный коэффициент последовательного сопротивления оценивается с использованием модели одиночного диода или модели двойного диода. [7]
Солнечные батареи
[ редактировать ]В большинстве фотоэлектрических приложений источником излучения является солнечный свет, а устройства называются солнечными элементами . В случае полупроводникового солнечного элемента с p – n-переходом (диод) освещение материала создает электрический ток, поскольку возбужденные электроны и оставшиеся дырки разносятся в разных направлениях встроенным электрическим полем области обеднения. [8]
ФЭ переменного тока работает в неравновесных условиях. Первое исследование было основано на нанопленке p-Si/TiO 2 . Обнаружено, что, за исключением постоянного тока, генерируемого обычным фотоэлектрическим эффектом, основанным на ap-n-переходе, переменный ток также создается, когда на интерфейсе загорается мигающий свет. Эффект AC PV не подчиняется закону Ома, поскольку основан на емкостной модели, согласно которой ток сильно зависит от частоты прерывателя, а напряжение не зависит от частоты. Пиковый ток переменного тока при высокой частоте переключения может быть намного выше, чем ток постоянного тока. Величина выходной мощности также связана со светопоглощением материалов.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Солнечные элементы — Химическая энциклопедия — строение, металл, уравнение, pn-переход» . www.chemistryexplained.com .
- ^ Палц, Вольфганг (2010). Энергия для мира – появление электричества от Солнца . Бельгия: Pan Stanford Publishing. п. 6. ISBN 9789814303385 .
- ^ Гварниери, М. (2015). «Больше света на информацию». Журнал промышленной электроники IEEE . 9 (4): 58–61. дои : 10.1109/МИЭ.2015.2485182 . S2CID 13343534 .
- ^ Р.Деламар, О.Бултил, Д.Фландр, Преобразование света/электричества: фундаментальные понятия и примеры исследований.
- ^ Цзоу, Хайян; Ван, Аурелия Чи; Чжан, Стивен Л.; Чжан, Лэй; Ван, Чжун Линь (03 февраля 2020 г.) . Фотоэлектрический эффект» . Advanced Materials . 32 (11): 1907249. Bibcode : 2020AdM....3207249Z . doi : 10.1002/adma.201907249 . ISSN 0935-9648 . PMID 32009275 .
- ^ Пилюжин, М.; Укая, А.; Сидрач-де-Кардона, М.; Спаньоло, Г. (2021). «Температурные коэффициенты деградированных фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния в уличных условиях» . Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 29 (5): 558–570. дои : 10.1002/pip.3396 . S2CID 233976803 .
- ^ Пилюжин, М.; Спаньоло, Г.; Сидрач-де-Кардона, М. (2020). «Температурная чувствительность последовательного сопротивления в модулях из деградированного монокристаллического кремния» . Возобновляемая энергия . 162 : 677–684. doi : 10.1016/j.renene.2020.08.026 . S2CID 225364125 .
- ^ Фотоэлектрический эффект . Scienzagiovane.unibo.it (1 декабря 2006 г.). Проверено 12 декабря 2010 г.
