Historie Fotoelektrického jevu a Jeho Role v Solárních PV

Solární buňky jsou poháněné světlo slunce. Když to víme, první otázka, kterou bychom se měli zeptat, je „co je světlo?“těsně následováno“ jak je možné přeměnit světlo na elektřinu?“To nejsou snadno zodpovězené otázky.

pochopení povahy světla bylo po staletí filozofů a vědců pracujících na tomto tématu náročným úkolem. Optika je jednou z nejstarších disciplín studovaných muži a proces přeměny světla na elektřinu začal příležitostným pozorováním.

daleko od formálního studia kvantové fyziky, tento článek si klade za cíl učit klíčové objevy od některých vědců a filozofů, kteří věnovali svou práci studiu světla a jeho aplikací. Vytváří základ pro pochopení toho, jak mohou solární články přeměnit světlo na elektrický proud.

Poznámka: jednotka systémy používané v tomto článku jsou Mezinárodní Systém Jednotek (SI) a jednotky přijaty pro použití s SI.

Počátky Chápání Světla

Výzkum na povaze světla je známo, že začít ve starověkém Řecku, kde se filosofové jako Platón, Sokrates, Aristoteles, Pythagoras a Eukleidés (Optika) dal názory na věc. Během středověku v Islámském světě vědci jako Abu Ali Mohammed Ibn Al Ještě Ibn Al-Hajtám, nyní známý jako Alhazen, pracoval na teorii světla a vidění.

od 1600s do 1930s, mnoho slavných vědců také učinilo významné kroky k našemu pochopení toho, co je světlo a jak to funguje. V roce 1672 Isaac Newton uvedl, že částice, nikoli vlny, vytvářejí světlo (korpuskulární teorie). Christiaan Huygens, Thomas Young a Augustin-Jean Fresnel věřili, že světlo je vlna. James Clerk Maxwell teoreticky předpověděl existenci elektromagnetických vln. Max Planck si myslel, černá těla vyzařované energie v diskrétní pakety, a Albert Einstein tvrdil, že světlo přišlo do svazků energie.

prokázání pohybu světla ve vlnách

v roce 1678 vyvinul Christiaan Huygens užitečnou techniku pro definování toho, jak a kde se šíří světelné vlny. Huygensův princip světla procházejícího štěrbinou pomohl dokázat, že světlo je vlna. V té době však tento princip nebyl považován za dostatečný důkaz, aby ukázal, že světlo je vlna, hlavně kvůli nesouhlasu Isaaca Newtona a jeho pověsti mezi vědeckou společností.

v roce 1801 provedl Thomas Young svůj experiment s dvojitou štěrbinou. Tento experiment ukázal, že vlny světla procházející dvěma štěrbinami se překrývají (navzájem se přidávají nebo ruší) a vytvářejí interferenční vzor. Vodní vlny, zvukové vlny a vlny všech různých typů vykazují stejný jev rušení. Výsledky tohoto experimentu prokázaly vlnový charakter světla.

V roce 1865 James Clerk Maxwell ukázal ve své publikaci Dynamické Teorie Elektromagnetického Pole, že paprsek světla je cestování vlny elektrické a magnetické pole, tedy elektromagnetické vlny. Porovnání rychlosti vln s rychlostí světla, měřeno Fizeauem a Foucaultem, dospěl k závěru:

„dohoda výsledků se zdá, ukazují, že světlo a magnetismus jsou postižení stejnou látku, a že světlo je elektromagnetické rušení šíří přes pole, podle elektromagnetických zákonů.“

Huygensova vlnová teorie pro světlo byla matematicky méně komplikovaná než Maxwellova elektromagnetická teorie.

výpočet vlnové délky a frekvence světla

Barva světla závisí na vlnové délce a chápe světlo jako elektromagnetickou vlnu. V periodické vlně je vlnová délka (λ) vzdálenost od hřebenu k hřebenu nebo od žlabu k žlabu na tvaru vlny. Obvyklé jednotky vlnové délky jsou metry, centimetry, milimetry a nanometry.

ve viditelném spektru má fialová nejkratší vlnovou délku a červená nejdelší. Vlnová délka ultrafialového (UV) záření je kratší než vlnová délka fialového světla. Podobně je vlnová délka infračerveného záření delší než vlnová délka červeného světla.

Obrázek 1. Viditelné spektrum je část elektromagnetického spektra viditelná lidskému oku. Obrázek se svolením Michigan State University.

vlnová frekvence f je počet vln, které projdou pevným bodem za jednotku času, měřeno v Hertzech (Hz). Jeden Hertz se rovná jedné vlně procházející pevným bodem za jednu sekundu. Stále se používá bývalý termín cykly za sekundu.

perioda T = 1 / f je doba, po kterou periodická vlna prochází jedním úplným cyklem svého pohybu. Jednotka SI je druhá (y).

je nezbytné zdůraznit, že před propojením konceptů vlnové délky, frekvence a periody je světlo putující vlnou. Cestující vlna se pohybuje ve směru a cestování na vzdálenost jedné vlnové délce λ, v době rovná jedné periody T. Pokud to cestuje, má rychlost v. Tato rychlost se týká frekvence a vlnová délka, přes výraz v = λ/T = λ · f.

přijaté rychlost světla je 299 792 458 metrů za s, zaokrouhleno na 2.998 x 10⁸, a vyjádřené jako c. Pokaždé, když konverze vlnové délky na frekvenci (nebo naopak), je nutné, výraz c = λ · f se používá.

Obrázek 2. Schéma elektromagnetických vln. Obrázek se svolením Národní meteorologické služby.

elektromagnetického spektra je oddělena podle rostoucí vlnové délky do následujících regionech: gama záření, x-paprsky, ultrafialové, viditelné světlo, infračervené, mikrovlny a rádiové vlny. Elektromagnetické energie ze slunce se skládá především z viditelné a infračervené vlnové délky, s malým množstvím ultrafialové, mikrovlnné a rádiové záření.

obrázek 3.Viditelné barvy světla a vlnové délky.

viditelné světlo, barvy a vlnové délky jsou:

• Violet (400-450 nm)
• Indigo (420-450 nm)
• Modré (450-495 nm)
• Zelená (495 až 570 nm)
• Žlutá (570 do 590 nm)
• Oranžová (590-620 nm)
• Červená (620-750 nm)

lidské oko vnímá tuto směs barev jako je bílá, s vlnovými délkami od 400 nm do 750 nm. Bílé světlo se skládá z komponent prakticky ze všech barev ve viditelném spektru se zhruba stejnoměrnou intenzitou. Při průchodu hranolem je bílé světlo rozptýleno do všech barev.

obrázek 4. Bílé světlo je směs všech barev světla.

Newton byl první, kdo uspěl v oddělení bílého slunečního světla do svých barevných složek.

Záření Černého tělesa a Planckova Konstanta

V roce 1860, Gustav Kirchhoff uvedl některé objekty absorbovat a pak vydávat veškerou energii, která je zasáhla. Nazval tento výskyt záření černého těla. Kirchhoff a Robert Bunsen zkoumali sluneční spektrum a publikovali článek v roce 1861, kde identifikovali chemické prvky v atmosféře Slunce a spektra těchto prvků. Kirchhoff získal Rumfordovu medaili za svůj výzkum na toto téma v roce 1862.

v roce 1900 provedl Max Planck důkladnou studii záření černého těla a dospěl k závěru, že množství vyzařované energie bylo úměrné frekvenci elektromagnetických vln, které černé tělo absorbovalo. Tato emise energie byla ve formě malých diskrétních paketů energie, které nazval „quanta“ (quantum je singulární forma, z latiny pro „Kolik, kolik“). Tyto kvanty mohly získat pouze specifické diskrétní hodnoty v násobcích konstanty. Dnes je tento koncept známý jako Planckova konstanta.

v roce 1901 Planck ukázal, že za předpokladu, že sálavá energie sestává z integrálního počtu “ energetických prvků.“Energie elementu E musí být úměrná frekvenci f, tedy:

E = h · f

kde:

E = energie prvku

h = Planckova konstanta (6.626 10ˉ3⁴ J s)

f = frekvence elektromagnetického záření,

Tyto hodnoty jsou kvantizovány, a tato demonstrace byla první zásadní krok v rozvoji kvantové fyziky, která studuje povahu minutu elementárních částic. Bylo to poprvé, co si někdo všiml kvantované energie.

Planck však nevěřil, že záření bylo rozděleno na malé kousky, jak ukázala jeho matematická analýza. On za to, E = h · f být matematický trik, nebo pohodlí, které mu dal správné odpovědi, jak vyřešit technický problém s černými těly, a nikdy se zdá, aby si myslel hluboce o jeho fyzikální význam. Podle vlastních slov:

„Pokud quantum akce byla fiktivní množství, pak celý odečtení radiační zákon byl v hlavní iluzorní a představuje nic víc, než prázdný non-významný hrát na vzorce.“

Hertz a Hallwachs pracují na pochopení fotoelektrického efektu

fotoelektrický efekt byl studován po mnoho let a dosud není plně pochopen.

v roce 1887 navrhl Heinrich Hertz některé experimenty s generátorem jiskřiště, aby otestoval Maxwellovu hypotézu. Tyto experimenty přinesly první přenos a příjem elektromagnetických vln.

Jiskry, která vzniká mezi dvě malé kovové kuličky, do vysílače vyvolaných jisker, který skočil mezi dva leštěná mosaz knoflíky v měděném drátu smyčku, která pracovala jako přijímač. Mezi těmito dvěma elektrodami vyskočila malá jiskra. Hertz si všiml, že by mohl zesílit jiskru přijímače osvětlením elektrod ultrafialovým světlem. Nevytvořil žádnou teorii, která by mohla vysvětlit pozorovaný jev, ale toto bylo první pozorování fotoelektrického efektu.

O rok později, Wilhelm Hallwachs potvrzuje tyto výsledky a ukázaly, že ultrafialové světlo, které svítí na evakuované křemenné žárovky s dvěma zinkové desky jako elektrody a připojen k baterii generované aktuální vzhledem k elektronové emise, nebo fotoelektrický proud.

Stoletov a fotografický efekt

v letech 1888 až 1891 provedl ruský fyzik Alexander Stoletov analýzu fotografického efektu. Objevil přímou proporcionalitu mezi intenzitou světla a indukovaným fotoelektrickým proudem. Dnes je to známé jako Stoletovův zákon.

objev elektronů

v roce 1897 JJ Thomson objevil elektrony, které nazval “ krvinky.“Poté navrhl model struktury atomu, populárně známý jako „plum pudding model“, protože to byla jednotná koule kladně nabité hmoty s vloženými elektrony. V roce 1899 ukázal, že zvýšená citlivost v Hertzových experimentech byla výsledkem tlačení světla na krvinky. Thomson uznal, že UV záření způsobilo emise elektronů, stejné částice nalezené v katodových paprscích.

V roce 1911, JJ Thomson student Rutherford navrhl model, který popisuje atom jako kladně nabité jádro (nucleus) soustředit téměř všechny masové a kolem kterého elektrony (záporný náboj) se pohybují v určité vzdálenosti, jako planetární systém.

v roce 1899 Philipp Lenard ukázal, že ozařování kovů ultrafialovým světlem může produkovat emise záporných nábojů nebo fotoelektronů. Zjistil, že kinetická energie emitovaných fotoelektronů byla nezávislá na intenzitě světla stejné frekvence. Přesto, v souladu se zákonem zachování energie, více elektronů byly katapultoval jasný zdroj, než slabý zdroj.

Jak Einstein v Kombinaci Newtonova Tělíska a Planckova Energie Prvků

Albert Einstein pokusil vysvětlit fotoelektrický efekt vzkříšením představa, světlo krvinky obhajoval tím, že Isaac Newton. Také v roce 1905 byl prvním vědcem, který vzal Planckovy energetické prvky vážně a navrhl, že světlo přichází ve svazcích energie. V paprsku jsou svazky “ kvanta.“Neřekl, že světlo je“ částice.“Podle Einsteina, „light quantum“ energie Eᵧ je:

Eᵧ = h · f

kde, stejně jako dříve:

h = Planckova konstanta (6.626 10ˉ3⁴ J s)

f = frekvence elektromagnetického záření,

Einstein uznal, že Planckova modelu byl skutečný. To, co vnímáme jako kontinuální vlnu elektromagnetického záření, je proud diskrétních kvant. Tento základní vzorec pro kvantovou fyziku je také známý jako Planck-Einsteinův vztah, což dává zásluhu i Planckově práci.

Einsteinova předpověď byla:

Eē = ½ · m · v2 = Eᵧ – W = h · f – W

kde:

Eē = energie elektronu

v = rychlost elektronu

m = hmotnost elektronu

Eᵧ = energie světla kvantové

W = pracovní funkce (konstanta závislá na kovu)

práce funkce W je energie potřebná k uvolnění elektronu z určitého kovu (nějaký druh uvolnění energie). Záleží na kovu, jeho krystalické struktuře a na tom, jak je povrch leštěný.

Einstein uvedl, že když lehké kvantum dodává energii Eᵧ kovu, část z toho jde do pracovní funkce a zbytek jde do elektronů jako kinetická energie. Kovy uvolňují elektrony s nulovou rychlostí, pokud je dodávaná energie přesně její pracovní funkcí. Z této rovnice můžeme také posoudit, že ne všechny světelné frekvence uvolní elektrony na konkrétní kov.

experimentální údaje nepřesné v té době, a to bylo po deseti letech měření energie elektronů, v roce 1916, Robert Andrews Millikanův ověřené Einstein je dohad.

Einstein také navrhl, že kvanta má hybnost. V roce 1917 vyvinul svou teorii přiřazením hybnosti p = Eᵧ / c = h * f / c = h / λ světelnému kvantovi. Teprve potom měla vlastnosti skutečné částice. Potvrdil, že světlo se chová jako vlny a jako částice.

V roce 1921, Einstein získal Nobelovu Cenu za fyziku za „své služby Teoretické Fyzice a zejména za jeho objev zákona fotoelektrického jevu.“Obdržel ji o rok později, v roce 1922.

V roce 1923, Compton ověřeny předpoklady o světle kvantové energie a hybnosti experimentálně, zaměstnává jeho rozptyl experiment, a bombardování elektrony s x-ray quanta.

objev fotonů Gilberta Lewise

ačkoli lze slyšet a rozumět pojmu kvantové světlo, je obvyklé mluvit a psát o fotonech. V roce 1926 Gilbert Lewis, fyzikální chemik, navrhl, že místo světelného kvantum by člověk měl považovat nový druh atomu — to, co nazval fotonem — za nosič světla.

nicméně Lewisův foton byl koncept, který se lišil od Einsteinových návrhů. Příběh je příliš dlouhý, aby zde popisovat, ale z pozdní 1920, fyziků považovány za pojem foton být vhodné synonymum pro světlo kvantové že Einstein představil v roce 1905.

fotoelektrický efekt nastává, když světlo svítí na kov. Obrázek se svolením Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Obrázek 5. Fotoelektrický efekt nastává, když světlo svítí na kov. Obrázek s laskavým svolením Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Recenze: Vlastnosti Fotoelektrického jevu

následující vlastnosti shrnout experimentální pozorování fotoelektrického jevu:

• Leštěné kovové desky se ozáří světlem mohou emitovat elektrony, jménem elektronů, vytváří fotoelektrický proud.
• pro daný fotosenzitivní materiál existuje kritická frekvence světla, pod níž se nic neděje. Jak se frekvence zvyšuje, proces začíná pracovat a uvolňuje fotoelektrony. Tato velikost je prahová frekvence fₒ a existuje proud pouze pro f > fₒ, bez ohledu na to, jak vysoká může být intenzita. jak je leštěný) a na volných elektronech v krystalické struktuře kovu.
• velikost proudu je přímo úměrná intenzitě světla, za předpokladu, že f > fₒ.
• zásadní vlastností je, že energie fotoelektronů je nezávislá na intenzitě světla.
• energie fotoelektronů se lineárně zvyšuje s frekvencí světla. Tato vlastnost fotoelektrického efektu není snadno pochopitelná, vzhledem k světlu jako vlně. Einstein přišel s odpovědí: světlo přichází ve svazcích energie.

je důležité pochopit povahu světla a jev, kterým může světlo produkovat elektrickou energii, aby lépe porozumělo tomu, jak fungují solární články.

světlo se chová jako vlny i částice. Světlo svítící na kov vytlačuje elektrony z povrchu. Tento jev je fotoelektrický efekt a elektrony se nazývají fotoelektrony. Experimenty ukazují, že zvýšením světelné frekvence se zvyšuje kinetická energie fotoelektronů a zesílením světla se zvyšuje proud.