A History of the Photoelectric Effect and Its Role in Solar PV

Solar cells are fueled by the light of the sun. Kun tiedämme tämän, ensimmäinen kysymys, joka meidän pitäisi tehdä, on ”mitä on valo? miten on mahdollista muuttaa valo sähköksi?”Näihin kysymyksiin ei ole helppo vastata.

valon luonteen ymmärtäminen on ollut haastavaa asiaa tutkineiden filosofien ja tiedemiesten vuosisatojen ajan. Optiikka on yksi vanhimmista miesten tutkimista tieteenaloista, ja valon muuttaminen sähköksi alkoi satunnaisesta havainnoinnista.

Tämä artikkeli ei suinkaan ole muodollinen kvanttifysiikan tutkimus, vaan sen tarkoituksena on opettaa keskeisiä löytöjä joiltakin tiedemiehiltä ja filosofeilta, jotka omistivat työnsä valon ja sen sovellusten tutkimiseen. Se luo perustan sen ymmärtämiselle, miten aurinkokennot voivat muuttaa valon sähkövirraksi.

huomautus: tässä artikkelissa käytetyt yksikköjärjestelmät ovat kansainvälinen yksikköjärjestelmä (si) ja yksiköt, jotka on hyväksytty käytettäväksi SI-järjestelmän kanssa.

valon ymmärtämisen alku

valon luonnetta koskevan tutkimuksen tiedetään alkaneen antiikin Kreikassa, jossa filosofit kuten Platon, Sokrates, Aristoteles, Pythagoras ja Eukleides (Optiikka) antoivat asiasta lausuntoja. Keskiajalla islamilaisessa maailmassa tiedemiehet, kuten Abu Ali Mohammed Ibn al has Ibn al Haitham, joka tunnetaan nykyään nimellä Alhazen, työskentelivät valon ja näön teorioiden parissa.

1600-luvulta 1930-luvulle monet kuuluisat tiedemiehet ottivat myös merkittäviä askeleita kohti ymmärrystämme siitä, mitä valo on ja miten se toimii. Vuonna 1672 Isaac Newton esitti, että hiukkaset, eivät aallot, muodostavat valoa (korpuskulaariteoria). Christiaan Huygens, Thomas Young ja Augustin-Jean Fresnel uskoivat valon olevan Aalto. James Clerk Maxwell ennusti teoreettisesti sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon. Max Planck ajatteli, että mustat kappaleet säteilevät energiaa erillisinä paketteina, ja Albert Einstein väitti valon tulevan energiakimpuissa.

todistaen valon liikkuvan aalloissa

vuonna 1678 Christiaan Huygens kehitti hyödyllisen tekniikan määrittelemään, miten ja missä valoaallot etenevät. Huygensin periaate, jonka mukaan valo kulkee raon läpi, auttoi todistamaan, että valo on Aalto. Tuohon aikaan tätä periaatetta ei kuitenkaan pidetty tarpeeksi todisteena valon osoittamiseksi aalloksi, mikä johtui lähinnä Isaac Newtonin erimielisyydestä ja hänen maineestaan Tiedeseuran keskuudessa.

vuonna 1801 Thomas Young teki kaksoisrakon interferenssikokeensa. Tämä koe osoitti, että kahden raon läpi kulkevat valoaallot limittyvät (lisäävät tai kumoavat toisensa) ja muodostavat interferenssikuvion. Vesiaallot, ääniaallot ja kaikenlaiset aallot ilmentävät tätä samaa häiriöilmiötä. Tämän kokeen tulokset osoittivat valon aaltoluonteen.

vuonna 1865 James Clerk Maxwell osoitti julkaisussaan a Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, että valonsäde on sähkö-ja magneettikenttien kiertävä aalto eli sähkömagneettinen aalto. Vertaamalla nopeus aaltojen kanssa valonnopeus, mitattuna Fizeau ja Foucault, hän totesi:

”tulosten yhtäpitävyys näyttää osoittavan, että valo ja magnetismi ovat saman aineen affektioita ja että valo on sähkömagneettisten lakien mukaan kentän läpi leviävä sähkömagneettinen häiriö.”

Huygensin aaltoteoria valolle oli matemaattisesti yksinkertaisempi kuin Maxwellin sähkömagneettinen teoria.

lasketaan valon aallonpituus ja taajuus

valon väri riippuu aallonpituudesta ymmärtäen valon sähkömagneettisena aaltona. Jaksollisessa aallonpituudessa (λ) aallonpituus on aallonmuodolla etäisyys aallonharjasta aallonharjaan tai aallonpohjasta aallonharjaan. Tavalliset aallonpituuden yksiköt ovat metriä, senttimetriä, millimetriä ja nanometriä.

näkyvässä spektrissä violetilla on lyhin aallonpituus ja punaisella pisin. Ultraviolettisäteilyn (UV) aallonpituus on lyhyempi kuin violetin valon. Samoin infrapunasäteilyn aallonpituus on pidempi kuin punaisen valon aallonpituus.

Kuva 1. Näkyvä spektri on ihmissilmälle näkyvä sähkömagneettisen spektrin osa. Kuva: Michigan State University.

Aaltotaajuus f on kiinteän pisteen aikayksikköä kohti läpäisevien aaltojen lukumäärä hertseinä (Hz) mitattuna. Yksi Hertsi vastaa yhtä aaltoa, joka ohittaa kiinteän pisteen sekunnissa. Edelleen käytössä on entinen termi syklit sekunnissa.

periodi T = 1 / f on aika, jolloin jaksollinen Aalto käy läpi yhden kokonaisen liikesyklin. SI-yksikkö on toinen (s).

on tärkeää huomauttaa, että ennen aallonpituuden, taajuuden ja jakson käsitteiden yhdistämistä valo on kulkuaalto. Kulkeva aalto liikkuu suuntaan ja kulkee yhden aallonpituuden λ matkan ajassa, joka vastaa yhtä periodia T. Jos se kulkee, sen nopeus on v. tämä nopeus liittyy taajuuteen ja aallonpituuteen lausekkeen v = λ/T = λ · f kautta.

hyväksytty valonnopeus on 299,792,458 m/s pyöristettynä arvoon 2,998 x 10⁸ ja ilmaistuna c: nä. aina kun vaaditaan aallonpituuden muuntamista taajuudeksi (tai päinvastoin), käytetään lauseketta c = λ · f.

kuva 2. Kaavio sähkömagneettisista aalloista. Kuva: kansallinen sääpalvelu.

Sähkömagneettinen spektri jakautuu kasvavassa aallonpituusjärjestyksessä seuraaviin alueisiin: gammasäteet, röntgensäteet, ultravioletti, näkyvä valo, infrapuna, mikroaallot ja radioaallot. Auringon sähkömagneettinen energia koostuu pääasiassa näkyvistä ja infrapuna-aallonpituuksista, joissa on pieniä määriä ultravioletti -, mikroaaltouuni-ja radioaaltosäteilyä.

kuva 3.Näkyvät valon värit ja aallonpituudet.

näkyvän valon värit ja aallonpituudet ovat:

• Violetti (400-450 nm)
• Indigo (420-450 nm)
• Sininen (450-495 nm)
• vihreä (495-570 nm)
• Keltainen (570-590 nm)
• Oranssi (590-620 nm)
• punainen (620-750 Nm)

ihmissilmä havaitsee tämän väriseoksen valkoiseksi, jonka aallonpituudet ovat 400 nm: stä 750 Nm: iin. Valkoinen valo koostuu lähes kaikista näkyvän spektrin väreistä koostuvista komponenteista, joiden voimakkuus on suurin piirtein yhtenäinen. Prisman läpi kulkiessaan valkoinen valo diffraktioituu kaikkiin väreihin.

Kuva 4. Valkoinen valo on sekoitus kaikkia valon värejä.

Newton onnistui ensimmäisenä erottamaan valkoisen auringonvalon värillisiin komponentteihinsa.

mustan kappaleen säteily ja Planckin vakio

vuonna 1860 Gustav Kirchhoff totesi joidenkin kappaleiden absorboivan ja sitten emittoivan kaiken niihin osuvan energian. Hän kutsui tapahtumaa mustaksi kehosäteilyksi. Kirchhoff ja Robert Bunsen tutkivat Auringon spektriä ja julkaisivat vuonna 1861 tutkielman, jossa he tunnistivat auringon ilmakehän kemialliset alkuaineet ja niiden spektrit. Kirchhoff sai Rumford-mitali hänen tutkimusta tästä aiheesta vuonna 1862.

vuonna 1900 Max Planck teki perusteellisen tutkimuksen mustan kappaleen säteilystä ja päätteli, että säteilevän energian määrä oli verrannollinen mustan kappaleen absorboimien sähkömagneettisten aaltojen taajuuteen. Tämä energia emissio oli muodossa pieniä, diskreetti paketteja energiaa, että hän kutsui ” quanta ”(quantum on yksikkö muodossa, latinan”kuinka paljon, kuinka monta”). Nämä kvantit voivat saada vain tietyn diskreetin arvon vakion kerrannaisina. Nykyään tämä käsite tunnetaan Planckin vakiona.

vuonna 1901 Planck osoitti, että olettaen säteilyenergian koostuvan integraaliluvusta ”energia-elementtejä.”Energiaelementin E on oltava verrannollinen taajuuteen f, näin:

e = h · f

missä:

e = energiaelementti

h = Planckin vakio (6,626 10ˉ3⁴ J S)

F = sähkömagneettisen säteilyn taajuus

näiden arvojen sanotaan olevan kvantisoituneita, ja tämä demonstraatio oli ensimmäinen ratkaiseva askel kvanttifysiikan kehityksessä, joka tutkii pienten alkeishiukkasten luonnetta. Se oli ensimmäinen kerta, kun joku huomasi energian kvantisoituvan.

Planck ei kuitenkaan uskonut säteilyn hajoavan pieniksi palasiksi, kuten hänen matemaattinen analyysinsa osoitti. Hän katsoi E · h * f olevan matemaattinen temppu tai mukavuutta, joka antoi hänelle oikeat vastaukset ratkaista tekninen ongelma musta elinten, ja koskaan näyttää olevan ajatellut syvästi sen fyysinen merkitys. Omin sanoin:

”jos toiminnan kvantti oli fiktiivinen Suure, niin koko säteilylain deduktio oli pääasiallisesti harhaa eikä se edustanut muuta kuin tyhjää ei-merkittävää kaavakuvien näytelmää.”

Hertz ja Hallwachs työskentelevät valosähköisen ilmiön ymmärtämiseksi

valosähköistä ilmiötä on tutkittu monta vuotta, eikä sitä ole vielä täysin ymmärretty.

vuonna 1887 Heinrich Hertz suunnitteli joitakin kokeita kipinäväligeneraattorilla testatakseen Maxwellin hypoteesia. Nämä kokeet tuottivat ensimmäisen lähetyksen ja vastaanoton sähkömagneettisia aaltoja.

lähettimen kahden pienen metallipallon väliin syntyneet kipinät indusoivat kipinöitä, jotka hyppivät kahden kiillotetun messinkinupin väliin vastaanottimena toimineessa kuparilankasilmukassa. Pieni kipinä hyppäsi näiden kahden elektrodin väliin. Hertz huomasi, että hän pystyi saamaan vastaanottimen kipinän voimakkaammaksi valaisemalla elektrodit ultraviolettivalolla. Hän ei luonut mitään teoriaa, joka voisi selittää havaitun ilmiön, mutta tämä oli ensimmäinen havainto valosähköisestä ilmiöstä.

vuotta myöhemmin Wilhelm Hallwachs vahvisti nämä tulokset ja osoitti, että evakuoidussa kvartsilampussa, jossa oli elektrodeina kaksi sinkkilevyä ja jotka oli liitetty akkuun, säteili ultraviolettivaloa, joka aiheutti elektroniemissiosta eli valosähkövirrasta johtuvan virran.

Stoletov ja valokuvaefekti

vuosina 1888-1891 venäläinen fyysikko Aleksandr Stoletov teki analyysin kuvaefektistä. Hän havaitsi suoran suhteellisuuden valon voimakkuuden ja indusoidun valosähkövirran välillä. Nykyään tämä tunnetaan Stoletovin lakina.

elektronien löytyminen

vuonna 1897 JJ Thomson löysi elektroneja, joita hän kutsui ”korpuskleiksi.”Sitten hän ehdotti atomin rakenteelle mallia, joka tunnetaan kansanomaisesti ”luumuvanukkasmallina”, koska se oli yhtenäinen positiivisesti varautuneen aineen pallo, johon oli upotettu elektroneja. Vuonna 1899 hän osoitti, että Hertzin kokeissa lisääntynyt herkkyys oli seurausta siitä, että valo työnsi solusoluja. Thomson tunnusti, että UV aiheutti elektronien emission, samojen hiukkasten, joita esiintyy katodisäteissä.

vuonna 1911 JJ Thomsonin oppilas Rutherford esitti mallin, joka kuvasi atomin positiivisesti varautuneena ytimenä (ytimenä), joka keskitti lähes kaiken massan ja jonka ympärillä elektronit (negatiiviset varaukset) kiertävät jollakin etäisyydellä, kuten planeettakunta.

vuonna 1899 Philipp Lenard osoitti, että metallien säteilyttäminen ultraviolettivalolla voi aiheuttaa negatiivisten varausten tai valosähköisten säteilyjen emissioita. Hän havaitsi, että säteilevien fotoelektronien liike-energia oli riippumaton saman taajuisen valon voimakkuudesta. Kuitenkin sopusoinnussa energian säilymislain kanssa kirkas lähde sinkosi enemmän valosähköisiä kuin himmeä lähde.

kuinka Einstein yhdisti Newtonin ja Planckin Energiaelementit

Albert Einstein yritti selittää valosähköistä ilmiötä herättämällä henkiin Isaac Newtonin kannattaman valosykkeiden idean. Vuonna 1905 hän oli myös ensimmäinen tiedemies, joka suhtautui vakavasti Planckin energiaelementteihin ja ehdotti, että valo tulee energiakimpuissa. Säteessä on nippuja ” quanta.”Hän ei sanonut, että valo on” hiukkanen.”Einsteinin mukaan” valon kvanttienergia Eᵧ on:

Eᵧ = h · f

missä, kuten ennenkin:

h = Planckin vakio (6,626 10ˉ3⁴ J s)

f = sähkömagneettisen säteilyn taajuus

Einstein tunnusti Planckin mallin olevan todellinen. Havaitsemme sähkömagneettisen säteilyn jatkuvana aaltona diskreetin kvanttivirran. Tämä kvanttifysiikan keskeinen kaava tunnetaan myös Planckin ja Einsteinin suhteena, mikä antaa kunnian myös Planckin työlle.

Einsteinin ennustus oli:

Eē = ½ · m · v2 = eᵧ – W = h · f – W

missä:

eē = elektronin energia

v = elektronin nopeus

m = elektronin massa

eᵧ = valon kvanttienergia

w = työfunktio (metallista riippuva vakio)

työfunktio w on energia, joka tarvitaan elektronin vapauttamiseen tietystä metallista (jonkinlainen Vapautumisenergia). Se riippuu metallista, sen kiderakenteesta ja siitä, miten kiillotettu pinta on.

Einstein totesi, että kun Kevyt kvantti antaa energiaa eᵧ metallille, osa siitä menee työfunktioon ja loput elektroneille kineettisenä energiana. Metallit vapauttavat elektroneja nollanopeudella, jos syötetty energia on juuri sen työfunktio. Tästä yhtälöstä voidaan myös päätellä, että kaikki valotaajuudet eivät vapauta elektroneja tietystä metallista.

kokeelliset tiedot olivat tuolloin epätarkkoja, ja vasta kymmenen vuoden mittausten jälkeen fotoelektronien energiasta Robert Andrews Millikan todensi vuonna 1916 Einsteinin konjektuurin.

Einstein ehdotti myös, että kvanteilla olisi momentti. Vuonna 1917 hän kehitti teoriaansa määrittämällä valon kvanttiin liikemäärän p = Eᵧ/c = h · f/c = H/λ. Vasta silloin sillä oli todellisen hiukkasen ominaisuudet. Hän vahvisti, että valo käyttäytyy aaltojen ja hiukkasten tavoin.

vuonna 1921 Einstein sai Nobelin fysiikanpalkinnon ”palveluksistaan teoreettiselle fysiikalle ja erityisesti valosähköisen ilmiön lain löytämisestä.”Hän sai sen vuotta myöhemmin, vuonna 1922.

vuonna 1923 Compton validoi oletukset valon kvanttienergiasta ja liikemäärästä kokeellisesti käyttäen sirontakokeitaan ja pommittaen elektroneja röntgenkvantalla.

Gilbert Lewisin havainto fotoneista

vaikka termin valon kvantti voi kuulla ja ymmärtää, fotoneista on tapana puhua ja kirjoittaa. Fysikaalinen kemisti Gilbert Lewis ehdotti vuonna 1926, että valon kvantin sijasta pitäisi harkita uudenlaista atomia — niin sanottua fotonia — valon kantajana.

Lewisin fotoni oli kuitenkin käsite, joka poikkesi Einsteinin ehdotuksista. Tarina on tässä liian pitkä kuvailtavaksi, mutta 1920-luvun lopulta lähtien fyysikot pitivät termiä fotoni sopivana synonyyminä Einsteinin vuonna 1905 esittelemälle valon kvantille.

valosähköinen ilmiö syntyy, kun valo loistaa metalliin. Image courtesy of Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

kuva 5. Valosähköinen ilmiö syntyy, kun valo loistaa metalliin. Kuva: Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Review: Properties of the Photoelectric Effect

seuraavat ominaisuudet tiivistävät kokeelliset havainnot valosähköisestä efektistä:

• valolla Säteilytetyt kiillotetut metallilevyt voivat lähettää elektroneja, joita kutsutaan valosähköisiksi, luoden valosähkövirran.
• tietylle valoherkälle materiaalille on olemassa kriittinen valon taajuus, jonka alapuolella ei tapahdu mitään. Taajuuden kasvaessa prosessi alkaa toimia vapauttaen fotoelektroneja. Tämä magnitudi on kynnystaajuus fₒ, ja on olemassa vain virta F > fₒ, riippumatta siitä kuinka suuri intensiteetti voi olla. fₒ riippuu metallista, sen pinnan kunnosta (eli siitä, kuinka kiillotettu se on) ja metallin kiderakenteen vapaista elektroneista.
• virran suuruus on suoraan verrannollinen valon voimakkuuteen edellyttäen, että f > fₒ.
• ratkaiseva ominaisuus on se, että valosähköenergia on riippumaton valon voimakkuudesta.
• valoelektronien energia kasvaa lineaarisesti valon taajuuden myötä. Tämä valosähköisen ilmiön ominaisuus ei ole helppo ymmärtää, kun otetaan huomioon valo aaltona. Einstein keksi vastauksen: valo tulee energiakimpuissa.

on tärkeää ymmärtää valon luonne sekä ilmiö, jonka kautta valo voi tuottaa sähköenergiaa, jotta aurinkokennojen toimintaa voidaan paremmin ymmärtää.

valo käyttäytyy sekä aaltojen että hiukkasten tavoin. Metallille loisti valo karkottaa elektroneja sen pinnalta. Ilmiö on Valosähköinen ilmiö, ja elektroneja kutsutaan valosähköisiksi. Kokeet osoittavat, että valontaajuutta kasvattamalla valosähköisten elektronien liike-energia kasvaa ja valoa tehostamalla virta kasvaa.