En historie om den fotoelektriske effekt og dens rolle i Solar PV
solceller er drevet af solens lys. Når vi ved dette, er det første spørgsmål, vi skal stille, “hvad er lys?”fulgt nøje af” hvordan er det muligt at konvertere lys til elektricitet?”Disse er ikke let besvaret spørgsmål.
at forstå lysets natur har været en udfordrende opgave i århundreder af filosoffer og forskere, der arbejder med dette emne. Optik er en af de ældste discipliner studeret af mænd, og processen med at omdanne lys til elektricitet startede fra afslappet observation.
langt fra at være en formel undersøgelse af kvantefysik, har denne artikel til formål at undervise vigtige opdagelser fra nogle af de forskere og filosoffer, der viet deres arbejde til studiet af lys og dets anvendelser. Det sætter grundlaget for at forstå, hvordan solceller kan konvertere lys til elektrisk strøm.
Bemærk: de enhedssystemer, der anvendes i denne artikel, er det internationale system af enheder (SI) og enheder, der accepteres til brug sammen med SI.
begyndelsen af forståelse af lys
forskning om lysets natur er kendt for at starte i det antikke Grækenland, hvor filosoffer som Platon, Socrates, Aristoteles, Pythagoras og Euclid (optik) gav udtalelser om sagen. I middelalderen i den islamiske verden arbejdede forskere som Abu Ali Mohammed Ibn Al Hasn Ibn al Haytham, nu kendt som Alhasen, på teorier om lys og vision.
fra 1600 ‘erne til 1930’ erne tog mange berømte forskere også betydelige skridt mod vores forståelse af, hvad lys er, og hvordan det fungerer. I 1672 erklærede Isaac Nyton, at partikler, ikke bølger, skaber lys (corpuskulær teori). Christiaan Huygens, Thomas Young og Augustin-Jean Fresnel mente, at lys var en bølge. James Clerk forudsagde teoretisk eksistensen af elektromagnetiske bølger. Planck troede, at sorte kroppe udsendte energi i diskrete pakker, og Albert Einstein hævdede, at lys kom i bundter af energi.
bevis lys bevæger sig i bølger
i 1678 udviklede Christiaan Huygens en nyttig teknik til at definere, hvordan og hvor lysbølger formerer sig. Huygens ‘ princip om lys, der passerer gennem en spalte, hjalp med at bevise, at lys er en bølge. På det tidspunkt blev dette princip imidlertid ikke betragtet som bevis nok til at vise, at lys var en bølge, hovedsageligt på grund af Isaac Nyton uenighed og hans ry blandt det videnskabelige samfund.
i 1801 gjorde Thomas Young sit dobbeltspalte interferenseksperiment. Dette eksperiment viste, at lysbølger, der passerer gennem to spalter, overlapper hinanden (tilføjer eller annullerer hinanden) og danner et interferensmønster. Vandbølger, lydbølger og bølger af alle forskellige typer viser det samme interferensfænomen. Dette eksperiments resultater viste lysets bølgekarakter.i 1865 viste James Clerk i sin publikation en dynamisk teori om det elektromagnetiske felt, at en lysstråle er en rejse bølge af elektriske og magnetiske felter, dvs.en elektromagnetisk bølge. Sammenligning af bølgernes hastighed med lysets hastighed, som målt ved Phiseau og Foucault, konkluderede han:
“aftalen om resultaterne ser ud til at vise, at lys og magnetisme er følelser af det samme stof, og at lys er en elektromagnetisk forstyrrelse, der formeres gennem feltet, i henhold til elektromagnetiske love.”Huygens’ bølgeteori for lys var matematisk mindre kompliceret end den elektromagnetiske teori.
beregning af Lysbølgelængde og frekvens
lysets farve afhænger af bølgelængden og forstår lyset som en elektromagnetisk bølge. I en periodisk bølge, bølgelængde (liter) er afstanden fra kam til kam eller fra trug til trug på bølgeformen. De sædvanlige enheder af bølgelængde er Meter, Centimeter, Millimeter og nanometer.
i det synlige spektrum har violet den korteste bølgelængde, og rød har den længste. Bølgelængden af ultraviolet (UV) stråling er kortere end for violet Lys. Ligeledes er bølgelængden af infrarød stråling længere end bølgelængden af rødt lys.
Figur 1. Det synlige spektrum er den del af det elektromagnetiske spektrum, der er synligt for det menneskelige øje. Billede med tilladelse fra Michigan State University.
bølgefrekvens f er antallet af bølger, der passerer et fast punkt pr. En bølge er lig med en bølge, der passerer et fast punkt på et sekund. Stadig i brug er de tidligere term cykler pr.
perioden T = 1 / f er den tid, det tager en periodisk bølge at gennemgå en komplet cyklus af dens bevægelse. SI-enheden er den anden (e).
det er vigtigt at påpege, at før du forbinder begreberne bølgelængde, frekvens og periode, er lys en rejsebølge. En rejsebølge bevæger sig i en retning og bevæger sig i en afstand af en bølgelængde i en tid svarende til en periode T. Hvis den bevæger sig, har den en hastighed v. denne hastighed vedrører frekvens og bølgelængde gennem udtrykket v = liter/t = liter · f.
den accepterede lyshastighed er 299.792.458 m/s, afrundet til 2.998 · 10 i og udtrykt som C. hver gang konvertering af bølgelængde til frekvens (eller omvendt) er påkrævet, bruges udtrykket c = kurs * f.
figur 2. Et diagram over elektromagnetiske bølger. Billede med tilladelse fra den nationale vejrtjeneste.
det elektromagnetiske spektrum adskilles efter rækkefølge af stigende bølgelængde i følgende regioner: gammastråler, røntgenstråler, ultraviolet, synligt lys, infrarød, mikrobølger og radiobølger. Elektromagnetisk energi fra solen består primært af synlige og infrarøde bølgelængder med små mængder ultraviolet, mikrobølge og radiobølgestråling.
figur 3.Synlige lyse farver og bølgelængder.
de synlige lysfarver og bølgelængder er:
- Violet (400-450 nm)
- Indigo (420-450 nm)
- blå (450-495 nm)
- grøn (495-570 nm)
- Gul (570-590 nm)
- Orange (590-620 nm)
- rød (620-750 nm)
det menneskelige øje opfatter denne blanding af farver som hvid med bølgelængder fra 400 nm til 750 nm. Hvidt lys består af komponenter fra stort set alle farverne i det synlige spektrum med nogenlunde ensartede intensiteter. Når det føres gennem et prisme, diffrakteres hvidt lys i alle farverne.
figur 4. Hvidt lys er en blanding af alle farver af lys.
Nyton var den første, der lykkedes at adskille hvidt sollys i dets farvede komponenter.
Sort Kropsstråling og Plancks konstant
i 1860 erklærede Gustav Kirchhoff, at nogle objekter absorberer og derefter udsender al den energi, der ramte dem. Han kaldte denne forekomst sort kropsstråling. Kirchhoff og Robert Bunsen undersøgte solspektret og offentliggjorde et papir i 1861, hvor de identificerede de kemiske grundstoffer i solens atmosfære og spektre af disse grundstoffer. Kirchhoff blev tildelt Rumford Medal for sin forskning om dette emne i 1862.i 1900 foretog Planck en grundig undersøgelse af sort kropsstråling og konkluderede, at mængden af udstrålet energi var proportional med frekvensen af de elektromagnetiske bølger, som den sorte krop absorberede. Denne energiemission var i form af små, diskrete pakker med energi, som han kaldte “kvanta” (kvante er entalformen, fra Latin for “hvor meget, hvor mange”). Disse kvanta kunne kun erhverve specifikke diskrete værdier i multipla af en konstant. I dag er dette koncept kendt som Planck-konstanten.
i 1901 viste Planck, at forudsat strålingsenergi består af et integreret antal “energielementer.”Energielementet E skal være proportionalt med frekvensen f, således:
E = h · F
hvor:
E = energielement
h = Plancks konstant (6.626 10 liter 3)
f = frekvensen af den elektromagnetiske stråling
disse værdier siges at være kvantiseret, og dette er en demonstration var det første afgørende skridt i udviklingen af kvantefysik, som studerer arten af små elementære partikler. Det var første gang, at nogen bemærkede den kvantiserede energi.
Planck troede imidlertid ikke, at stråling blev brudt op i små bits, som hans matematiske analyse viste. Han betragtede E = h * F som et matematisk trick eller bekvemmelighed, der gav ham de rigtige svar til at løse et teknisk problem med sorte kroppe og synes aldrig at have tænkt dybt over dets fysiske betydning. Med sine egne ord:
“hvis handlingens kvantum var en fiktiv mængde, var hele fradraget af strålingsloven i det største illusoriske og repræsenterede intet andet end et tomt ikke-signifikant spil på formler.”
vi arbejder for at forstå den fotoelektriske effekt
den fotoelektriske effekt er blevet undersøgt i mange år og er endnu ikke fuldt ud forstået.i 1887 designede Heinrich Herts nogle eksperimenter med en gnistgabsgenerator for at teste hans hypotese. Disse eksperimenter producerede den første transmission og modtagelse af elektromagnetiske bølger.gnister genereret mellem to små metalkugler i en transmitter inducerede gnister, der sprang mellem to polerede messingknapper i en kobbertrådsløjfe, der fungerede som modtager. En lille gnist sprang mellem disse to elektroder. Herts bemærkede, at han kunne gøre modtageren gnist mere energisk ved at belyse elektroderne med ultraviolet lys. Han skabte ikke nogen teori, der kunne forklare det observerede fænomen, men det var den første observation af den fotoelektriske effekt.et år senere bekræftede disse resultater og viste, at ultraviolet lys, der skinnede på en evakueret kvartspære med to sinkplader som elektroder og forbundet til et batteri, genererede en strøm på grund af elektronemission eller fotoelektrisk strøm.
Stoletov og fotoeffekten
fra 1888 til 1891 udførte den russiske fysiker Aleksandr Stoletov en analyse af fotoeffekten. Han opdagede den direkte proportionalitet mellem lysets intensitet og den inducerede fotoelektriske strøm. I dag er dette kendt som Stoletovs lov.
opdagelsen af elektroner
i 1897 opdagede JJ Thomson elektroner, som han kaldte “legemer.”Han fortsatte derefter med at foreslå en model for atomets struktur, populært kendt som “plum pudding model”, fordi det var en ensartet kugle af positivt ladet stof med indlejrede elektroner. I 1899 viste han, at den øgede følsomhed i Herts eksperimenter var resultatet af lys, der pressede på legemer. Thomson erkendte, at UV forårsagede emission af elektroner, de samme partikler, der findes i katodestråler.
i 1911 foreslog JJ Thomsons studerende Rutherford en model, der beskrev atomet som en positivt ladet kerne (kerne), der koncentrerer næsten hele massen, og omkring hvilken elektronerne (negative ladninger) cirkulerer i en vis afstand, som et planetarisk system.
i 1899 viste Philipp Lenard, at bestråling af metaller med ultraviolet lys kan producere emission af negative ladninger eller fotoelektroner. Han fandt ud af, at den kinetiske energi af de udsendte fotoelektroner var uafhængig af lysets intensitet af samme frekvens. Men i overensstemmelse med loven om bevarelse af energi blev flere fotoelektroner skubbet ud af en lys kilde end en svag kilde.
hvordan Einstein kombinerede nye blodlegemer og Plancks energielementer h3
Albert Einstein forsøgte at forklare den fotoelektriske effekt ved at genoplive ideen om lette blodlegemer, som Isaac foreslog. Også i 1905 var han den første videnskabsmand, der tog Plancks energielementer alvorligt og foreslog, at lys kommer i bundter af energi. I en stråle er der bundter af ” kvanta.”Han sagde ikke, at lys er en” partikel.”Ifølge Einstein er en” lyskvantum “energi E-Kurt:
e-Kur = h · f
hvor, som før:
h = Plancks konstant (6.626 10-kur3)
f = frekvensen af den elektromagnetiske stråling
Einstein erkendte, at Plancks model var reel. Det, vi opfatter som en kontinuerlig bølge af elektromagnetisk stråling, er en strøm af diskret kvanta. Denne væsentlige formel for kvantefysik er også kendt som Planck-Einstein relation, der også giver kredit til Plancks arbejde.
Einsteins forudsigelse var:
e – kr = kr · m · v2 = E – kr = h · f-H
hvor:
E-kr = energi af elektron
v = hastighed af elektron
m = Masse af elektron
E-kr = energi af lyskvantum
v = arbejdsfunktion (konstant afhængig af metallet) rbejdsfunktionen er den energi, der er nødvendig for at frigive en elektron fra et bestemt metal (en slags Frigørelsesenergi). Det afhænger af metallet, dets krystallinske struktur og hvor poleret overfladen er.
Einstein udtalte, at når et lyskvantum leverer energi E-til metal, går noget af det til arbejdsfunktionen, og resten går til elektroner som kinetisk energi. Metaller frigiver elektroner med nulhastighed, hvis den leverede energi netop er dens arbejdsfunktion. Vi kan også bedømme ud fra denne ligning, at ikke alle lysfrekvenser frigiver elektroner på et bestemt metal.
de eksperimentelle data var unøjagtige på det tidspunkt, og det var efter ti års målinger af fotoelektronernes energi, at Robert Andreus Millikan i 1916 bekræftede Einsteins formodning.Einstein foreslog også, at kvanta har momentum. I 1917 udviklede han sin teori ved at tildele et momentum af p = E-liter/c = h · f/c = h/liter til lyskvantum. Først da havde den egenskaberne af en ægte partikel. Han bekræftede, at lys opfører sig som bølger og som partikler.i 1921 blev Einstein tildelt Nobelprisen i fysik for ” hans tjenester til Teoretisk Fysik og især for hans opdagelse af loven om den fotoelektriske effekt.”Han modtog det et år senere, i 1922.i 1923 validerede Compton antagelserne om lysets kvanteenergi og momentum eksperimentelt ved at anvende sit spredningseksperiment og bombardere elektroner med røntgenkvanta.
Gilbert Levis’ opdagelse af fotoner
selvom man kan høre og forstå udtrykket lyskvantum, er det sædvanligt at tale og skrive om fotoner. I 1926 foreslog Gilbert Luvis, en fysisk kemiker, at man i stedet for lyskvantumet skulle overveje en ny slags atom — hvad han kaldte en foton — som lysbærer.imidlertid var hans foton et koncept, der afveg fra Einsteins forslag. Historien er for lang til at beskrive her, men fra slutningen af 1920 ‘ erne betragtede fysikere udtrykket foton som et passende synonym for det lyskvantum, som Einstein introducerede i 1905.
den fotoelektriske effekt opstår, når lyset skinner på et metal. Billede med tilladelse fra Feitscherg (CC BY-SA 3.0)
figur 5. Den fotoelektriske effekt opstår, når lyset skinner på et metal. Billede venligst udlånt af Feitscherg (CC BY-SA 3.0)
anmeldelse: egenskaber for den fotoelektriske effekt
følgende egenskaber opsummerer de eksperimentelle observationer af den fotoelektriske effekt:
- polerede metalplader bestrålet med lys kan udsende elektroner, der hedder fotoelektroner, hvilket skaber en fotoelektrisk strøm.
- for et givet lysfølsomt materiale er der en kritisk frekvens af lyset, under hvilket der ikke sker noget. Efterhånden som frekvensen stiger, begynder processen at arbejde og frigiver fotoelektroner. Denne størrelse er tærskelfrekvensen f-KRP, og der er kun en strøm for f > f-KRP, uanset hvor høj intensiteten måtte være. f kr afhænger af metallet, dets overfladetilstand (dvs.hvor poleret det er) og af de frie elektroner i metalets krystallinske struktur.
- strømens størrelse er direkte proportional med lysets intensitet, forudsat at f> f-kur.
- en afgørende egenskab er, at fotoelektronernes energi er uafhængig af lysets intensitet.
- fotoelektronernes energi øges lineært med lysets frekvens. Denne egenskab ved den fotoelektriske effekt er ikke let at forstå, i betragtning af lys som en bølge. Einstein kom med et svar: lys kommer i bundter af energi.
det er vigtigt at forstå lysets natur såvel som det fænomen, gennem hvilket lys kan producere elektrisk energi for bedre at forstå, hvordan solceller fungerer.
lys opfører sig som både bølger og partikler. Lys skinnede på metal udviser elektroner fra overfladen. Dette fænomen er den fotoelektriske effekt, og elektronerne kaldes fotoelektroner. Eksperimenter indikerer, at ved at øge lysfrekvensen øges fotoelektronernes kinetiske energi, og ved at intensivere lyset øges strømmen.