Eine Geschichte des photoelektrischen Effekts und seine Rolle in der Solar-PV

Solarzellen werden durch das Licht der Sonne angetrieben. Wenn wir das wissen, sollten wir uns zuerst die Frage stellen: „Was ist Licht?“ dicht gefolgt von „Wie ist es möglich, Licht in Elektrizität umzuwandeln?“ Das sind keine leicht zu beantwortenden Fragen.

Die Natur des Lichts zu verstehen, war eine herausfordernde Aufgabe für die Jahrhunderte von Philosophen und Wissenschaftlern, die an diesem Thema arbeiteten. Die Optik ist eine der ältesten von Männern untersuchten Disziplinen, und der Prozess der Umwandlung von Licht in Elektrizität begann mit der zufälligen Beobachtung.Weit davon entfernt, eine formale Studie der Quantenphysik zu sein, zielt dieser Artikel darauf ab, Schlüsselentdeckungen von einigen der Wissenschaftler und Philosophen zu lehren, die ihre Arbeit dem Studium des Lichts und seiner Anwendungen widmeten. Es bildet die Grundlage für das Verständnis, wie Solarzellen Licht in elektrischen Strom umwandeln können.Hinweis: Die in diesem Artikel verwendeten Einheitensysteme sind das Internationale Einheitensystem (SI) und Einheiten, die für die Verwendung mit dem SI akzeptiert werden.

Die Anfänge des Verständnisses von Licht

Die Erforschung der Natur des Lichts beginnt bekanntermaßen im antiken Griechenland, wo Philosophen wie Platon, Sokrates, Aristoteles, Pythagoras und Euklid (Optik) dazu Stellung nahmen. Während des Mittelalters in der islamischen Welt arbeiteten Wissenschaftler wie Abu Ali Mohammed Ibn Al-Ibn Al Haytham, heute bekannt als Alhazen, an Theorien von Licht und Vision.

Von den 1600er bis zu den 1930er Jahren haben viele berühmte Wissenschaftler auch bedeutende Schritte unternommen, um zu verstehen, was Licht ist und wie es funktioniert. 1672 erklärte Isaac Newton, dass Teilchen, nicht Wellen, Licht erzeugen (Korpuskulartheorie). Christiaan Huygens, Thomas Young und Augustin-Jean Fresnel glaubten, dass Licht eine Welle sei. James Clerk Maxwell sagte theoretisch die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus. Max Planck dachte, dass schwarze Körper Energie in diskreten Paketen emittierten, und Albert Einstein behauptete, dass Licht in Energiebündeln kam.

Licht bewegt sich in Wellen

1678 entwickelte Christiaan Huygens eine nützliche Technik, um zu definieren, wie und wo sich Lichtwellen ausbreiten. Huygens ‚Prinzip des Lichts, das durch einen Schlitz hindurchtritt, half zu beweisen, dass Licht eine Welle ist. Zu dieser Zeit wurde dieses Prinzip jedoch nicht als Beweis genug angesehen, um zu zeigen, dass Licht eine Welle war, hauptsächlich aufgrund von Isaac Newtons Meinungsverschiedenheiten und seinem Ruf in der wissenschaftlichen Gesellschaft.

1801 führte Thomas Young sein Doppelspalt-Interferenzexperiment durch. Dieses Experiment zeigte, dass sich Lichtwellen, die durch zwei Schlitze gehen, überlappen (sich addieren oder aufheben) und ein Interferenzmuster bilden. Wasserwellen, Schallwellen und Wellen aller Art zeigen dasselbe Interferenzphänomen. Die Ergebnisse dieses Experiments bewiesen den Wellencharakter des Lichts.1865 zeigte James Clerk Maxwell in seiner Veröffentlichung A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, dass ein Lichtstrahl eine Wanderwelle aus elektrischen und magnetischen Feldern ist, d. H. Eine elektromagnetische Welle. Vergleicht man die Geschwindigkeit der Wellen mit der Lichtgeschwindigkeit, wie von Fizeau und Foucault gemessen, schloss er:

„Die Übereinstimmung der Ergebnisse scheint zu zeigen, dass Licht und Magnetismus Affektionen derselben Substanz sind und dass Licht eine elektromagnetische Störung ist, die sich gemäß elektromagnetischen Gesetzen durch das Feld ausbreitet.“Huygens’Wellentheorie für Licht war mathematisch weniger kompliziert als Maxwells elektromagnetische Theorie.

Lichtwellenlänge und -frequenz berechnen

Die Farbe des Lichts hängt von der Wellenlänge ab und versteht das Licht als elektromagnetische Welle. In einer periodischen Welle ist die Wellenlänge (λ) der Abstand von Kamm zu Kamm oder von Trog zu Trog in der Wellenform. Die üblichen Wellenlängeneinheiten sind Meter, Zentimeter, Millimeter und Nanometer.

Im sichtbaren Spektrum hat Violett die kürzeste Wellenlänge und Rot die längste. Die Wellenlänge der ultravioletten (UV) Strahlung ist kürzer als die des violetten Lichts. Ebenso ist die Wellenlänge der Infrarotstrahlung länger als die Wellenlänge des roten Lichts.

Abbildung 1. Das sichtbare Spektrum ist der für das menschliche Auge sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums. Bild mit freundlicher Genehmigung der Michigan State University.

Die Wellenfrequenz f ist die Anzahl der Wellen, die pro Zeiteinheit einen festen Punkt passieren, gemessen in Hertz (Hz). Ein Hertz entspricht einer Welle, die in einer Sekunde einen festen Punkt passiert. Noch in Gebrauch ist der frühere Begriff Zyklen pro Sekunde.

Die Periode T = 1 / f ist die Zeit, die eine periodische Welle benötigt, um einen vollständigen Zyklus ihrer Bewegung zu durchlaufen. Die SI-Einheit ist die Sekunde (n).

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass Licht eine Wanderwelle ist, bevor die Konzepte von Wellenlänge, Frequenz und Periode miteinander verbunden werden. Eine Wanderwelle bewegt sich in einer Richtung und legt eine Strecke von einer Wellenlänge λ in einer Zeit zurück, die einer Periode T entspricht. Wenn sie sich bewegt, hat sie eine Geschwindigkeit v. Diese Geschwindigkeit bezieht sich auf Frequenz und Wellenlänge durch den Ausdruck v = λ / T = λ · f.

Die akzeptierte Lichtgeschwindigkeit beträgt 299.792.458 m / s, gerundet auf 2.998 x 10⁸ und ausgedrückt als c. Jedes Mal, wenn eine Umwandlung der Wellenlänge in Frequenz (oder umgekehrt) erforderlich ist, wird der Ausdruck c = λ · f verwendet.

Abbildung 2. Ein Diagramm elektromagnetischer Wellen. Bild mit freundlicher Genehmigung des National Weather Service.

Das elektromagnetische Spektrum wird in der Reihenfolge zunehmender Wellenlänge in die folgenden Bereiche unterteilt: Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, ultraviolettes, sichtbares Licht, Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen. Elektromagnetische Energie von der Sonne besteht hauptsächlich aus sichtbaren und infraroten Wellenlängen, mit geringen Mengen an ultravioletter, Mikrowellen- und Radiowellenstrahlung.

Abbildung 3.Farben und Wellenlängen des sichtbaren Lichts.

Die Farben und Wellenlängen des sichtbaren Lichts sind:

• Violett (400-450 nm)
• Indigo (420-450 nm)
• Blau (450-495 nm)
• Grün (495-570 nm)
• Gelb (570-590 nm)
• Orange 590-620 nm)
• Rot (620-750 nm)

Das menschliche Auge nimmt diese Farbmischung als weiß mit Wellenlängen von 400 nm bis 750 nm wahr. Weißes Licht besteht aus Anteilen nahezu aller Farben des sichtbaren Spektrums mit annähernd gleichmäßiger Intensität. Wenn es durch ein Prisma geleitet wird, wird weißes Licht in alle Farben gebeugt.

Abbildung 4. Weißes Licht ist eine Mischung aus allen Lichtfarben.

Newton war der erste, dem es gelang, weißes Sonnenlicht in seine farbigen Bestandteile zu trennen.

Schwarzkörperstrahlung und Plancksche Konstante

Gustav Kirchhoff erklärte 1860, dass einige Objekte die gesamte Energie absorbieren und dann emittieren, die sie trifft. Er nannte dieses Ereignis Schwarzkörperstrahlung. Kirchhoff und Robert Bunsen erforschten das Sonnenspektrum und veröffentlichten 1861 eine Arbeit, in der sie die chemischen Elemente in der Sonnenatmosphäre und die Spektren dieser Elemente identifizierten. Kirchhoff wurde 1862 für seine Forschungen zu diesem Thema mit der Rumford-Medaille ausgezeichnet.Im Jahr 1900 führte Max Planck eine gründliche Untersuchung der Schwarzkörperstrahlung durch und kam zu dem Schluss, dass die abgestrahlte Energiemenge proportional zur Frequenz der elektromagnetischen Wellen war, die der schwarze Körper absorbierte. Diese Energieemission erfolgte in Form kleiner, diskreter Energiepakete, die er „Quanten“ nannte (Quantum ist die Singularform, aus dem Lateinischen für „wie viel, wie viele“). Diese Quanten konnten nur bestimmte diskrete Werte in Vielfachen einer Konstanten erhalten. Heute ist dieses Konzept als Planck-Konstante bekannt.

1901 zeigte Planck, dass “ Strahlungsenergie aus einer ganzzahligen Anzahl von „Energieelementen“ besteht.“ Das Energieelement E muss proportional zur Frequenz f sein, also:

E = h · f

wobei:

E = Energieelement

h = Plancksche Konstante (6.626 10ˉ3⁴ J s)

f = Frequenz der elektromagnetischen Strahlung

Diese Werte sollen quantisiert sein, und diese Demonstration war die erste entscheidender Schritt in der Entwicklung der Quantenphysik, die die Natur winziger Elementarteilchen untersucht. Es war das erste Mal, dass jemand die quantisierte Energie bemerkte.

Planck glaubte jedoch nicht, dass Strahlung in kleine Stücke zerlegt wurde, wie seine mathematische Analyse zeigte. Er betrachtete E = h · f als einen mathematischen Trick oder eine Bequemlichkeit, die ihm die richtigen Antworten gab, um ein technisches Problem mit schwarzen Körpern zu lösen, und scheint nie tief über seine physikalische Bedeutung nachgedacht zu haben. In seinen eigenen Worten:

„Wenn das Aktionsquantum eine fiktive Größe war, dann war die ganze Deduktion des Strahlungsgesetzes im Wesentlichen illusorisch und stellte nichts anderes als ein leeres, nicht signifikantes Spiel mit Formeln dar.“

Hertz und Hallwachs arbeiten daran, den Photoelektrischen Effekt zu verstehen

Der photoelektrische Effekt wird seit vielen Jahren untersucht und ist noch nicht vollständig verstanden.Im Jahr 1887 entwarf Heinrich Hertz einige Experimente mit einem Funkenstreckengenerator, um Maxwells Hypothese zu testen. Diese Experimente erzeugten die erste Übertragung und den ersten Empfang elektromagnetischer Wellen.Funken, die zwischen zwei kleinen Metallkugeln in einem Sender erzeugt wurden, induzierten Funken, die zwischen zwei polierten Messingknöpfen in einer Kupferdrahtschleife sprangen, die als Empfänger fungierte. Ein winziger Funke sprang zwischen diese beiden Elektroden. Hertz bemerkte, dass er den Funken kräftiger machen konnte, indem er die Elektroden mit ultraviolettem Licht beleuchtete. Er schuf keine Theorie, die das beobachtete Phänomen erklären könnte, aber dies war die erste Beobachtung des photoelektrischen Effekts.Ein Jahr später bestätigte Wilhelm Hallwachs diese Ergebnisse und zeigte, dass ultraviolettes Licht, das auf einen evakuierten Quarzkolben mit zwei Zinkplatten als Elektroden schien und mit einer Batterie verbunden war, einen Strom aufgrund von Elektronenemission oder Photostrom erzeugte.

Stoletov und der Fotoeffekt

Von 1888 bis 1891 führte der russische Physiker Alexander Stoletov eine Analyse des Fotoeffekts durch. Er entdeckte die direkte Proportionalität zwischen der Lichtintensität und dem induzierten Photostrom. Heute ist dies als Stoletov-Gesetz bekannt.

Die Entdeckung der Elektronen

1897 entdeckte JJ Thomson Elektronen, die er „Korpuskeln“ nannte.“ Er schlug dann ein Modell für die Struktur des Atoms vor, das im Volksmund als „Plumpudding-Modell“ bekannt ist, da es sich um eine einheitliche Kugel positiv geladener Materie mit eingebetteten Elektronen handelt. 1899 zeigte er, dass die erhöhte Empfindlichkeit in Hertz ‚Experimenten das Ergebnis von Licht war, das auf Körperchen drückte. Thomson erkannte, dass UV die Emission von Elektronen verursacht, die gleichen Partikel, die in Kathodenstrahlen gefunden werden.Im Jahr 1911 schlug JJ Thomsons Schüler Rutherford ein Modell vor, das das Atom als einen positiv geladenen Kern (Kern) beschrieb, der fast die gesamte Masse konzentriert und um den die Elektronen (negative Ladungen) in einiger Entfernung zirkulieren, wie ein Planetensystem.Im Jahr 1899 zeigte Philipp Lenard, dass die Bestrahlung von Metallen mit ultraviolettem Licht die Emission negativer Ladungen oder Photoelektronen erzeugen kann. Er fand heraus, dass die kinetische Energie der emittierten Photoelektronen unabhängig von der Intensität des Lichts derselben Frequenz war. In Übereinstimmung mit dem Gesetz der Energieerhaltung wurden jedoch mehr Photoelektronen von einer hellen Quelle ausgestoßen als von einer schwachen Quelle.

Wie Einstein Newtons Körperchen und Plancks Energieelemente kombinierte

Albert Einstein versuchte, den photoelektrischen Effekt zu erklären, indem er die von Isaac Newton vertretene Idee der Lichtkörperchen wiederbelebte. Außerdem war er 1905 der erste Wissenschaftler, der Plancks Energieelemente ernst nahm und vorschlug, dass Licht in Energiebündeln kommt. In einem Strahl gibt es Bündel von „Quanten“.“ Er hat nicht gesagt, dass Licht ein „Teilchen “ ist.“ Nach Einstein ist eine „Lichtquanten“ -Energie eᵧ:

eᵧ = h · f

wobei nach wie vor:

h = Plancksche Konstante (6.626 10ˉ3⁴ J s)

f = Frequenz der elektromagnetischen Strahlung

Einstein erkannte, dass Plancks Modell real war. Was wir als kontinuierliche Welle elektromagnetischer Strahlung wahrnehmen, ist ein Strom diskreter Quanten. Diese wesentliche Formel für die Quantenphysik wird auch als Planck-Einstein-Beziehung bezeichnet, was auch Plancks Arbeit zu verdanken ist.

Einsteins Vorhersage war:

Eē = ½ · m · v2 = eᵧ – W = h · f – W

wobei:

Eē = Energie des Elektrons

v = Geschwindigkeit des Elektrons

m = Masse des Elektrons

eᵧ = Energie des Lichtquants

W = Arbeitsfunktion (Konstante abhängig vom Metall)p Die Arbeitsfunktion W ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem bestimmten Metall freizusetzen (eine Art Freisetzungsenergie). Es hängt vom Metall, seiner kristallinen Struktur und davon ab, wie poliert die Oberfläche ist.Einstein erklärte, dass, wenn ein Lichtquant Energie E supplies an Metall liefert, ein Teil davon an die Arbeitsfunktion und der Rest an Elektronen als kinetische Energie geht. Metalle setzen Elektronen mit einer Geschwindigkeit von Null frei, wenn die zugeführte Energie genau ihre Arbeitsfunktion ist. Wir können auch anhand dieser Gleichung beurteilen, dass nicht alle Lichtfrequenzen Elektronen auf einem bestimmten Metall freisetzen.Die experimentellen Daten waren zu dieser Zeit ungenau, und nach zehn Jahren Messungen der Energie der Photoelektronen bestätigte Robert Andrews Millikan 1916 Einsteins Vermutung.

Einstein schlug auch vor, dass Quanten einen Impuls haben. 1917 entwickelte er seine Theorie, indem er dem Lichtquantum einen Impuls von p = eᵧ / c = h · f / c = h / λ zuordnete. Erst dann hatte es die Eigenschaften eines echten Teilchens. Er bestätigte, dass sich Licht wie Wellen und wie Teilchen verhält.

1921 erhielt Einstein den Nobelpreis für Physik für „seine Verdienste um die Theoretische Physik und insbesondere für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts.“ Er erhielt es ein Jahr später, 1922.Im Jahr 1923 validierte Compton die Annahmen über die Quantenenergie und den Impuls des Lichts experimentell, indem er sein Streuexperiment einsetzte und Elektronen mit Röntgenquanten bombardierte.

Gilbert Lewis’Entdeckung der Photonen

Obwohl man den Begriff Lichtquant hören und verstehen kann, ist es üblich, über Photonen zu sprechen und zu schreiben. Im Jahr 1926 schlug Gilbert Lewis, ein physikalischer Chemiker, vor, anstelle des Lichtquants eine neue Art von Atom — was er ein Photon nannte — als Träger von Licht zu betrachten.

Lewis ‚Photon war jedoch ein Konzept, das von Einsteins Vorschlägen abweichte. Die Geschichte ist zu lang, um sie hier zu beschreiben, aber ab den späten 1920er Jahren betrachteten Physiker den Begriff Photon als geeignetes Synonym für das Lichtquant, das Einstein 1905 einführte.

Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn Licht auf ein Metall scheint. Bild mit freundlicher Genehmigung von Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Abbildung 5. Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn Licht auf ein Metall scheint. Bild mit freundlicher Genehmigung von Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Review: Eigenschaften des Photoelektrischen Effekts

Die folgenden Eigenschaften fassen die experimentellen Beobachtungen zum photoelektrischen Effekt zusammen:

• Polierte Metallplatten, die mit Licht bestrahlt werden, können Elektronen emittieren, die als Photoelektronen bezeichnet werden und einen Photostrom erzeugen.
• Für ein gegebenes lichtempfindliches Material gibt es eine kritische Frequenz des Lichts, unterhalb der nichts passiert. Mit zunehmender Frequenz beginnt der Prozess zu arbeiten und setzt Photoelektronen frei. Diese Größe ist die Schwellenfrequenz fₒ, und es gibt einen Strom nur für f > fₒ, egal wie hoch die Intensität sein mag. Fₒ hängt vom Metall, seiner Oberflächenbeschaffenheit (d. H. Wie poliert es ist) und von den freien Elektronen in der Kristallstruktur des Metalls ab.
• Die Größe des Stroms ist direkt proportional zur Intensität des Lichts, vorausgesetzt, dass f > fₒ.
• Eine entscheidende Eigenschaft ist, dass die Energie der Photoelektronen unabhängig von der Intensität des Lichts ist.
• Die Energie der Photoelektronen nimmt linear mit der Frequenz des Lichts zu. Diese Eigenschaft des photoelektrischen Effekts ist nicht leicht zu verstehen, wenn man Licht als Welle betrachtet. Einstein hatte eine Antwort: Licht kommt in Energiebündeln.

Es ist wichtig, die Natur des Lichts sowie das Phänomen zu verstehen, durch das Licht elektrische Energie erzeugen kann, um besser zu verstehen, wie Solarzellen funktionieren.

Licht verhält sich wie Wellen und Teilchen. Licht, das auf Metall scheint, stößt Elektronen von seiner Oberfläche aus. Dieses Phänomen ist der photoelektrische Effekt, und die Elektronen werden Photoelektronen genannt. Experimente zeigen, dass durch Erhöhen der Lichtfrequenz die kinetische Energie der Photoelektronen zunimmt und durch Verstärken des Lichts der Strom zunimmt.