Una Historia del Efecto Fotoeléctrico y Su Papel en la Energía Solar Fotovoltaica

Las células solares son alimentadas por la luz del sol. Sabiendo esto, la primera pregunta que debemos hacernos es » ¿qué es la luz?»seguido de cerca por «¿cómo es posible convertir la luz en electricidad?»Estas preguntas no son fáciles de responder.

Comprender la naturaleza de la luz ha sido una tarea desafiante para los siglos de filósofos y científicos que trabajan en este tema. La óptica es una de las disciplinas más antiguas estudiadas por los hombres, y el proceso de convertir la luz en electricidad comenzó a partir de la observación casual.

Lejos de ser un estudio formal de la física cuántica, este artículo tiene como objetivo enseñar los descubrimientos clave de algunos de los científicos y filósofos que dedicaron su trabajo al estudio de la luz y sus aplicaciones. Sienta las bases para comprender cómo las células solares pueden convertir la luz en corriente eléctrica.

Nota: Los sistemas de unidades empleados en este artículo son el Sistema Internacional de Unidades (SI) y las unidades aceptadas para su uso con el SI.

Los inicios de la Comprensión de la Luz

Se sabe que la investigación sobre la naturaleza de la luz comienza en la antigua Grecia, donde filósofos como Platón, Sócrates, Aristóteles, Pitágoras y Euclides (Óptica) dieron opiniones sobre el asunto. Durante la época medieval en el mundo islámico, científicos como Abu Ali Mohammed Ibn Al Hasn Ibn Al Haytham, conocido ahora como Alhazen, trabajaron en teorías de la luz y la visión.

Desde la década de 1600 hasta la década de 1930, muchos científicos famosos también dieron pasos significativos hacia nuestra comprensión de lo que es la luz y cómo funciona. En 1672, Isaac Newton declaró que las partículas, no las ondas, producen luz (teoría corpuscular). Christiaan Huygens, Thomas Young y Augustin-Jean Fresnel creían que la luz era una ola. James Clerk Maxwell predijo teóricamente la existencia de ondas electromagnéticas. Max Planck pensó que los cuerpos negros emitían energía en paquetes discretos, y Albert Einstein alegó que la luz venía en paquetes de energía.

Probando los Movimientos de la Luz en Ondas

En 1678, Christiaan Huygens desarrolló una técnica útil para definir cómo y dónde se propagan las ondas de luz. El principio de Huygens de que la luz pasa a través de una hendidura ayudó a probar que la luz es una onda. Sin embargo, en ese momento, este principio no se consideraba evidencia suficiente para demostrar que la luz era una onda, principalmente debido al desacuerdo de Isaac Newton y su reputación entre la sociedad científica.

En 1801, Thomas Young hizo su experimento de interferencia de doble rendija. Este experimento demostró que las ondas de luz que pasan a través de dos ranuras se superponen (se agregan o cancelan entre sí) y forman un patrón de interferencia. Las ondas de agua, las ondas de sonido y las ondas de todos los tipos diferentes muestran este mismo fenómeno de interferencia. Los resultados de este experimento demostraron el carácter ondulatorio de la luz.

En 1865 James Clerk Maxwell mostró en su publicación A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field que un haz de luz es una onda viajante de campos eléctricos y magnéticos, es decir, una onda electromagnética. Comparando la velocidad de las ondas con la velocidad de la luz, medida por Fizeau y Foucault, concluyó:

» La concordancia de los resultados parece mostrar que la luz y el magnetismo son afecciones de la misma sustancia y que la luz es una perturbación electromagnética propagada a través del campo, de acuerdo con las leyes electromagnéticas.»

La teoría de ondas de Huygens para la luz era matemáticamente menos complicada que la teoría electromagnética de Maxwell.

Cálculo de la longitud de onda y la frecuencia de la luz

El color de la luz depende de la longitud de onda, entendiendo la luz como una onda electromagnética. En una onda periódica, la longitud de onda (λ) es la distancia de cresta a cresta o de canal a canal en la forma de onda. Las unidades de longitud de onda habituales son metros, centímetros, milímetros y nanómetros.

En el espectro visible, el violeta tiene la longitud de onda más corta y el rojo la más larga. La longitud de onda de la radiación ultravioleta (UV) es más corta que la de la luz violeta. Del mismo modo, la longitud de onda de la radiación infrarroja es más larga que la longitud de onda de la luz roja.

Figura 1. El espectro visible es la porción del espectro electromagnético visible para el ojo humano. Imagen cortesía de la Universidad Estatal de Michigan.

Frecuencia de onda f es el número de ondas que pasan un punto fijo por unidad de tiempo, medido en Hertz (Hz). Un Hertz equivale a una onda que pasa por un punto fijo en un segundo. Todavía está en uso el término anterior ciclos por segundo.

El período T = 1 / f es el tiempo que tarda una onda periódica en pasar por un ciclo completo de su movimiento. La unidad SI es la segunda (s).

Es esencial señalar que, antes de conectar los conceptos de longitud de onda, frecuencia y período, la luz es una onda viajera. Una onda viajera se mueve en una dirección y viaja a una distancia de una longitud de onda λ en un tiempo igual a un período T. Si viaja, tiene una velocidad v. Esta velocidad se relaciona con la frecuencia y la longitud de onda a través de la expresión v = λ/T = λ · f.

La velocidad aceptada de la luz es de 299,792,458 m/s, redondeada a 2.998 x 10⁸, y expresada como c. Cada vez que se requiere la conversión de longitud de onda a frecuencia (o viceversa), se usa la expresión c = λ · f.

Figura 2. Un diagrama de ondas electromagnéticas. Imagen cortesía del Servicio Meteorológico Nacional.

El espectro electromagnético está separado por orden de longitud de onda creciente en las siguientes regiones: rayos gamma, rayos X, ultravioleta, luz visible, infrarrojo, microondas y ondas de radio. La energía electromagnética del sol consiste principalmente en longitudes de onda visibles e infrarrojas, con pequeñas cantidades de radiación ultravioleta, de microondas y de ondas de radio.

Figura 3.Colores y longitudes de onda de luz visibles.

La luz visible, los colores y longitudes de onda son:

• Violeta (400-450 nm)
• Indigo (420-450 nm)
• Azul (450-495 nm)
• Verde (495-570 nm)
• Amarillo (570-590 nm)
• Naranja (590-620 nm)
• Rojo (620-750 nm)

El ojo humano percibe esta mezcla de colores como el blanco, con longitudes de onda de 400 nm y 750 nm. La luz blanca consiste en componentes de prácticamente todos los colores del espectro visible con intensidades aproximadamente uniformes. Cuando se pasa a través de un prisma, la luz blanca se difracta en todos los colores.

Figura 4. La luz blanca es una mezcla de todos los colores de luz.

Newton fue el primero en lograr separar la luz solar blanca en sus componentes de color.

Radiación corporal negra y Constante de Planck

En 1860, Gustav Kirchhoff declaró que algunos objetos absorben y luego emiten toda la energía que los golpea. Llamó a esta ocurrencia radiación de cuerpo negro. Kirchhoff y Robert Bunsen investigaron el espectro solar y publicaron un artículo en 1861, donde identificaron los elementos químicos en la atmósfera del sol y los espectros de esos elementos. Kirchhoff fue galardonado con la Medalla Rumford por su investigación sobre este tema en 1862.

En 1900, Max Planck realizó un estudio exhaustivo de la radiación del cuerpo negro y concluyó que la cantidad de energía irradiada era proporcional a la frecuencia de las ondas electromagnéticas que absorbía el cuerpo negro. Esta emisión de energía fue en forma de pequeños paquetes discretos de energía que él llamó » quanta «(cuántica es la forma singular, del latín»cuánto, cuántos»). Estos cuantos solo podían adquirir valores discretos específicos en múltiplos de una constante. Hoy en día, este concepto se conoce como la constante de Planck.

En 1901, Planck mostró que suponiendo que la energía radiante consiste en un número integral de «elementos de energía».»El elemento de energía E debe ser proporcional a la frecuencia f, por lo tanto:

E = h · f

donde:

E = elemento de energía

h = constante de Planck (6.626 10 J3 J J s)

f = frecuencia de la radiación electromagnética

Se dice que estos valores están cuantizados, y esto la demostración fue el primer paso crucial en el desarrollo de la física cuántica, que estudia la naturaleza de partículas elementales diminutas. Era la primera vez que alguien notaba la energía cuantizada.

Sin embargo, Planck no creía que la radiación se dividiera en pequeños trozos, como su análisis matemático mostró. Consideraba que E = h * f era un truco matemático o conveniencia que le daba las respuestas correctas para resolver un problema técnico con cuerpos negros, y nunca parece haber pensado profundamente en su significado físico. En sus propias palabras:

«Si el quantum de acción era una cantidad ficticia, entonces toda la deducción de la ley de radiación era en general ilusoria y no representaba más que un juego vacío no significativo de fórmulas.»

Hertz y Hallwachs Trabajan para comprender el Efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico se ha estudiado durante muchos años y aún no se entiende completamente.

En 1887 Heinrich Hertz diseñó algunos experimentos con un generador de chispas para probar la hipótesis de Maxwell. Estos experimentos produjeron la primera transmisión y recepción de ondas electromagnéticas.

Chispas generadas entre dos pequeñas esferas de metal en un transmisor, chispas inducidas que saltaban entre dos perillas de latón pulido en un bucle de alambre de cobre que funcionaba como receptor. Una pequeña chispa saltó entre estos dos electrodos. Hertz notó que podía hacer que la chispa del receptor fuera más vigorosa iluminando los electrodos con luz ultravioleta. No creó ninguna teoría que pudiera explicar el fenómeno observado, pero esta fue la primera observación del efecto fotoeléctrico.

Un año más tarde, Wilhelm Hallwachs confirmó estos resultados y mostró que la luz ultravioleta que brillaba en una bombilla de cuarzo evacuada con dos placas de zinc como electrodos y conectada a una batería generaba una corriente debido a la emisión de electrones, o corriente fotoeléctrica.

Stoletov y el Efecto fotográfico

De 1888 a 1891, el físico ruso Alexander Stoletov realizó un análisis del efecto fotográfico. Descubrió la proporcionalidad directa entre la intensidad de la luz y la corriente fotoeléctrica inducida. Hoy en día, esto se conoce como la ley de Stoletov.

El descubrimiento de electrones

En 1897 JJ Thomson descubrió electrones, a los que llamó «corpúsculos». Luego propuso un modelo para la estructura del átomo, popularmente conocido como el» modelo de pudín de ciruela » porque era una esfera uniforme de materia cargada positivamente con electrones incrustados. En 1899, demostró que el aumento de la sensibilidad en los experimentos de Hertz era el resultado de la luz empujando los corpúsculos. Thomson reconoció que los rayos UV causaban la emisión de electrones, las mismas partículas que se encuentran en los rayos catódicos.

En 1911, Rutherford, estudiante de JJ Thomson, propuso un modelo que describía al átomo como un núcleo cargado positivamente (núcleo) que concentra casi toda la masa y alrededor del cual los electrones (cargas negativas) circulan a cierta distancia, como un sistema planetario.

En 1899, Philipp Lenard demostró que la irradiación de metales con luz ultravioleta puede producir la emisión de cargas negativas o fotoelectrones. Descubrió que la energía cinética de los fotoelectrones emitidos era independiente de la intensidad de la luz de la misma frecuencia. Sin embargo, de acuerdo con la ley de conservación de energía, más fotoelectrones fueron expulsados por una fuente brillante que por una fuente tenue.

Cómo Einstein combinó los Corpúsculos de Newton y los Elementos Energéticos de Planck

Albert Einstein intentó explicar el efecto fotoeléctrico resucitando la idea de los corpúsculos de luz defendida por Isaac Newton. Además, en 1905, fue el primer científico en tomar en serio los elementos energéticos de Planck, proponiendo que la luz viene en paquetes de energía. En una viga, hay manojos de » cuantos.»Él no dijo que la luz es una partícula».»Según Einstein, una energía» cuántica de luz «e is es:

e = = h * f

donde, como antes:

h = constante de Planck (6.626 10 J3 J J s)

f = frecuencia de la radiación electromagnética

Einstein reconoció que el modelo de Planck era real. Lo que percibimos como una onda continua de radiación electromagnética es una corriente de cuantos discretos. Esta fórmula esencial para la física cuántica también se conoce como la relación Planck-Einstein, dando crédito al trabajo de Planck también.

La predicción de Einstein fue:

Eē = ½ · m · v2 = e W – W = h · f – W

donde:

Eē = energía de electrón

v = velocidad de electrón

m = masa de electrón

e = = energía del quantum de luz

W = función de trabajo (constante dependiente del metal)

La función de trabajo W es la energía necesaria para liberar un electrón de un metal específico (algún tipo de energía de liberación). Depende del metal, su estructura cristalina y el grado de pulido de la superficie.

Einstein declaró que cuando un cuántico de luz suministra energía eᵧ al metal, parte de ella va a la función de trabajo y el resto va a los electrones como energía cinética. Los metales liberan electrones con velocidad cero si la energía suministrada es precisamente su función de trabajo. También podemos juzgar a partir de esta ecuación que no todas las frecuencias de luz liberarán electrones en un metal en particular.

Los datos experimentales eran inexactos en ese momento, y fue después de diez años de mediciones de la energía de los fotoelectrones que, en 1916, Robert Andrews Millikan verificó la conjetura de Einstein.

Einstein también propuso que los cuantos tienen impulso. En 1917, desarrolló su teoría asignando un momento de p = e = / c = h * f / c = h / λ al cuántico de luz. Solo entonces tenía las propiedades de una partícula real. Confirmó que la luz se comporta como ondas y como partículas.

En 1921, Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de física por «sus servicios a la Física Teórica, y especialmente por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico.»Lo recibió un año después, en 1922.

En 1923, Compton validó experimentalmente las suposiciones sobre la energía cuántica y el momento de la luz, empleando su experimento de dispersión y bombardeando electrones con cuantos de rayos x.

El descubrimiento de Fotones por Gilbert Lewis

Aunque se puede escuchar y entender el término cuántico de luz, es costumbre hablar y escribir sobre fotones. En 1926, Gilbert Lewis, un químico físico, propuso que en lugar del cuántico de luz, uno debería considerar un nuevo tipo de átomo, lo que él llamó un fotón, como portador de luz.

Sin embargo, el fotón de Lewis era un concepto que divergía de las propuestas de Einstein. La historia es demasiado larga para describirla aquí, pero desde finales de la década de 1920, los físicos consideraron el término fotón como un sinónimo adecuado para el cuántico de luz que Einstein introdujo en 1905.

El efecto fotoeléctrico se produce cuando la luz brilla sobre un metal. Imagen cortesía de Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Figura 5. El efecto fotoeléctrico se produce cuando la luz brilla sobre un metal. Imagen cortesía de Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Revisión: Propiedades del Efecto Fotoeléctrico

Las siguientes propiedades resumen las observaciones experimentales sobre el efecto fotoeléctrico:

• Las placas de metal pulido irradiadas con luz pueden emitir electrones, llamados fotoelectrones, creando una corriente fotoeléctrica.
• Para un material fotosensible dado, hay una frecuencia crítica de la luz por debajo de la cual no sucede nada. A medida que aumenta la frecuencia, el proceso comienza a funcionar, liberando fotoelectrones. Esta magnitud es la frecuencia de umbral f f, y hay una corriente solo para f > f f, sin importar cuán alta sea la intensidad. f depends depende del metal, de su condición superficial (es decir, de su pulido) y de los electrones libres en la estructura cristalina del metal.
• La magnitud de la corriente es directamente proporcional a la intensidad de la luz, siempre que f > f f.
• Una propiedad crucial es que la energía de los fotoelectrones es independiente de la intensidad de la luz.
• La energía de los fotoelectrones aumenta linealmente con la frecuencia de la luz. Esta propiedad del efecto fotoeléctrico no es fácil de entender, considerando la luz como una onda. A Einstein se le ocurrió una respuesta: la luz viene en paquetes de energía.

Es importante comprender la naturaleza de la luz, así como el fenómeno a través del cual la luz puede producir energía eléctrica para ayudar a comprender mejor cómo funcionan las células solares.

la Luz se comporta como ondas y partículas. La luz que brilla sobre el metal expulsa electrones de su superficie. Este fenómeno es el efecto fotoeléctrico, y los electrones se llaman fotoelectrones. Los experimentos indican que al aumentar la frecuencia de la luz, la energía cinética de los fotoelectrones aumenta, y al intensificar la luz, aumenta la corriente.