a fotoelektromos hatás története és szerepe a napelemes PV-ben

a napelemeket a nap fénye táplálja. Ennek ismeretében az első kérdés, amelyet fel kell tennünk: “mi a fény?”szorosan követi” hogyan lehet a fényt villamos energiává alakítani?”Ezekre a kérdésekre nem könnyű válaszolni.

a fény természetének megértése kihívást jelentő feladat volt a filozófusok és tudósok évszázadai számára, akik ezen a témán dolgoztak. Az optika az egyik legrégebbi tudományág, amelyet a férfiak tanulmányoztak, és a fény villamos energiává történő átalakításának folyamata alkalmi megfigyelésből indult.

Ez a cikk messze nem a kvantumfizika hivatalos tanulmánya, hanem néhány olyan tudós és filozófus kulcsfontosságú felfedezéseit kívánja tanítani, akik munkájukat a fény és alkalmazásainak tanulmányozására szentelték. Megalapozza annak megértését, hogy a napelemek hogyan képesek a fényt elektromos árammá alakítani.

Megjegyzés: Az ebben a cikkben alkalmazott egységrendszerek az egységek nemzetközi rendszere (SI) és az SI-vel való használatra elfogadott egységek.

A fény megértésének kezdete

a fény természetével kapcsolatos kutatások az ókori Görögországban kezdődnek, ahol olyan filozófusok, mint Platón, Szókratész, Arisztotelész, Pitagorasz és Euklidész (Optika) véleményt nyilvánítottak az ügyben. A középkorban az iszlám világban, a tudósok, mint Abu Ali Mohammed Ibn Al Hasen Ibn Al Haytham, ismert ma Alhazen, dolgozott elméletek a fény és a látás.

az 1600-as évektől az 1930-as évekig számos híres tudós is jelentős lépéseket tett annak érdekében, hogy megértsük, mi a fény és hogyan működik. 1672-ben Isaac Newton kijelentette, hogy a részecskék, nem a hullámok, fényt hoznak létre (korpuszkuláris elmélet). Christiaan Huygens, Thomas Young és Augustin-Jean Fresnel azt hitték, hogy a fény egy hullám. James Clerk Maxwell elméletileg megjósolta az elektromágneses hullámok létezését. Max Planck úgy gondolta, hogy a fekete testek diszkrét csomagokban bocsátanak ki energiát, Albert Einstein pedig azt állította, hogy a fény energiacsomagokban érkezik.

A fény hullámokban való mozgásának bizonyítása

1678-ban Christiaan Huygens kifejlesztett egy hasznos technikát a fényhullámok terjedésének meghatározására. Huygens résen áthaladó fény elve segített bebizonyítani, hogy a fény hullám. Azonban addigra ez az elv nem tekinthető elég bizonyítéknak annak bizonyítására, hogy a fény hullám volt, elsősorban Isaac Newton nézeteltérése és a tudományos társadalom hírneve miatt.

1801-ben Thomas Young elvégezte a kettős résű interferencia kísérletét. Ez a kísérlet azt mutatta, hogy a két résen áthaladó fényhullámok átfedik egymást (összeadják vagy megsemmisítik egymást), és interferenciamintát képeznek. A vízhullámok, a hanghullámok és a különböző típusú hullámok ugyanazt az interferencia jelenséget mutatják. Ez a kísérlet eredményei bizonyították a fény hullám jellegét.

1865-ben James Clerk Maxwell publikációjában bemutatta az elektromágneses mező dinamikus elméletét, miszerint a fénysugár az elektromos és mágneses mezők, azaz az elektromágneses hullám utazó hulláma. Összehasonlítva a hullámok sebességét a fénysebességgel, Fizeau és Foucault mérésével, arra a következtetésre jutott:

” az eredmények egyetértése azt mutatja, hogy a fény és a mágnesesség ugyanazon anyag érzelmei, és hogy a fény az elektromágneses törvények szerint a mezőn keresztül terjedő elektromágneses zavar.”Huygens fényhullám-elmélete matematikailag kevésbé volt bonyolult, mint Maxwell elektromágneses elmélete.

A fény hullámhosszának és frekvenciájának kiszámítása

a fény színe a hullámhossztól függ, a fényt elektromágneses hullámként értelmezve. Periodikus hullámban a hullámhossz (XHamster) a gerinctől a címerig vagy a vályútól a vályúig terjedő távolság a hullám alakján. A szokásos hullámhossz-egységek méter, centiméter, milliméter, nanométer.

a látható spektrumban az ibolya hullámhossza a legrövidebb, a vörös pedig a leghosszabb. Az ultraibolya (UV) sugárzás hullámhossza rövidebb, mint az ibolya fényé. Hasonlóképpen, az infravörös sugárzás hullámhossza hosszabb, mint a vörös fény hullámhossza.

1. ábra. A látható spektrum az emberi szem számára látható elektromágneses spektrum része. Kép a Michigan Állami Egyetem jóvoltából.

az F hullámfrekvencia azon hullámok száma, amelyek időegységenként egy rögzített pontot adnak át, Hertzben (Hz) mérve. Egy Hertz egyenlő egy hullámmal, amely egy másodperc alatt áthalad egy rögzített ponton. Még mindig használatban van a korábbi ciklus másodpercenként.

a T = 1/f periódus az az idő, amely alatt egy periodikus hullám átmegy a mozgás egy teljes ciklusán. Az SI egység a második (s).

fontos kiemelni, hogy a hullámhossz, a frekvencia és az időszak fogalmainak összekapcsolása előtt a fény egy utazó hullám. Egy utazó hullám egy irányba mozog, és egy hullámhossz távolságot tesz meg, amely egy T periódusnak felel meg. ha utazik, akkor sebessége van v. ez a sebesség a frekvenciára és a hullámhosszra vonatkozik a V = ++ /T = ++ · f kifejezésen keresztül.

Az elfogadott fénysebesség 299,792,458 m/s, 2,998 x 10-re kerekítve, és c-ben kifejezve. minden alkalommal, amikor a hullámhossz frekvenciává történő átalakítására van szükség (vagy fordítva), a C = ++ · f kifejezést használjuk.

2.ábra. Az elektromágneses hullámok diagramja. A kép az Országos Meteorológiai szolgálat jóvoltából.

az elektromágneses spektrumot a növekvő hullámhossz sorrendje választja el a következő régiókra: gamma-sugarak, röntgensugarak, ultraibolya, látható fény, infravörös, mikrohullámok és rádióhullámok. A Nap elektromágneses energiája elsősorban látható és infravörös hullámhosszokból áll, kis mennyiségű ultraibolya, mikrohullámú és rádióhullámú sugárzással.

3. ábra.Látható világos színek és hullámhossz.

a látható világos színek és hullámhosszak a következők:

• Ibolya (400-450 nm)
• Indigó (420-450 nm)
• Kék (450-495 nm)
• Zöld (495-570 nm)
• sárga (570-590 nm)
• narancssárga (590-620 nm)
• piros (620-750 nm)

az emberi szem ezt a színkeveréket fehérnek érzékeli, hullámhossza 400 nm-től 750 nm-ig terjed. A fehér fény a látható spektrum szinte minden színének összetevőiből áll, nagyjából egyenletes intenzitással. A prizmán áthaladva a fehér fény minden színre diffrakcióba kerül.

4. ábra. A fehér fény a fény minden színének keveréke.

Newton volt az első, aki sikeresen elválasztotta a fehér napfényt színes összetevőire.

A fekete test sugárzása és Planck állandója

1860-ban Gustav Kirchhoff kijelentette, hogy egyes objektumok elnyelik, majd kibocsátják az összes energiát, ami eltalálja őket. Ezt az eseményt fekete test sugárzásnak nevezte. Kirchhoff és Robert Bunsen kutatták a nap spektrumát, és 1861-ben publikáltak egy tanulmányt, amelyben azonosították a nap légkörének kémiai elemeit és ezen elemek spektrumát. Kirchhoff 1862-ben elnyerte a Rumford-érmet a témával kapcsolatos Kutatásáért.

1900-ban Max Planck alaposan tanulmányozta a fekete test sugárzását, és arra a következtetésre jutott, hogy a kisugárzott energia mennyisége arányos a fekete test által elnyelt elektromágneses hullámok frekvenciájával. Ez az energiakibocsátás kicsi, diszkrét energiacsomagok formájában volt, amelyeket “kvantum” – nak nevezett (a kvantum az egyes forma, a latinból a “mennyi, hány”). Ezek a kvantumok csak meghatározott diszkrét értékeket szerezhetnek egy állandó többszörösében. Ma ezt a koncepciót Planck-állandónak nevezik.

1901-ben Planck megmutatta, hogy a sugárzó energia feltételezése szerves számú ” energiaelemből áll.”Az e energiaelemnek arányosnak kell lennie az f frekvenciával, így:

E = h · f

ahol:

e = energiaelem

h = Planck állandója (6,626 10 J S)

f = az elektromágneses sugárzás frekvenciája

ezeket az értékeket kvantálni kell, és ez a a demonstráció volt az első döntő lépés a kvantumfizika fejlődésében, amely a perc elemi részecskék természetét vizsgálja. Ez volt az első alkalom, hogy valaki észrevette a kvantált energiát.

Planck azonban nem hitte, hogy a sugárzás apró darabokra bomlik, amint azt matematikai elemzése kimutatta. Úgy vélte, hogy az E = h · f matematikai trükk vagy kényelem, amely megadta neki a helyes válaszokat a fekete testek technikai problémájának megoldására, és úgy tűnik, hogy soha nem gondolt mélyen a fizikai jelentésére. Saját szavaival:

” ha a cselekvés kvantuma kitalált mennyiség volt, akkor a sugárzási törvény teljes levonása a fő illuzórikus volt, és nem más, mint egy üres, nem jelentős játék a képleteken.”

Hertz és Hallwachs azon dolgoznak, hogy megértsék a fotoelektromos hatást

a fotoelektromos hatást sok éven át tanulmányozták, és még nem teljesen tisztázott.

1887-ben Heinrich Hertz néhány kísérletet tervezett egy szikraközgenerátorral Maxwell hipotézisének tesztelésére. Ezek a kísérletek hozták létre az elektromágneses hullámok első átvitelét és vételét.

Az adó két kis fémgömbje között keletkezett szikrák szikrákat váltottak ki, amelyek két csiszolt sárgaréz gomb között ugrottak egy rézhuzal hurokban, amely vevőként működött. Egy apró szikra ugrott a két elektróda között. Hertz észrevette, hogy az elektródák ultraibolya fénnyel történő megvilágításával erőteljesebbé teheti a vevő szikráját. Nem hozott létre olyan elméletet, amely megmagyarázná a megfigyelt jelenséget, de ez volt a fotoelektromos hatás első megfigyelése.

egy évvel később Wilhelm Hallwachs megerősítette ezeket az eredményeket, és kimutatta, hogy az ultraibolya fény, amely egy kiürített kvarc izzón ragyog, két cinklemezzel elektródaként, és egy akkumulátorhoz csatlakozik, áramot generál az elektron emisszió vagy a fotoelektromos áram miatt.

Stoletov és a fotóhatás

1888-tól 1891-ig Alexander Stoletov orosz fizikus elemezte a fotóhatást. Felfedezte a közvetlen arányosságot a fény intenzitása és az indukált fotoelektromos áram között. Ma ezt Stoletov törvényének nevezik.

az elektronok felfedezése

1897-ben JJ Thomson felfedezte az elektronokat, amelyeket “korpuszoknak” nevezett.”Ezután javaslatot tett az atom szerkezetének modelljére, közismert nevén “szilva puding modell” néven, mert ez egy pozitív töltésű anyag egységes gömbje volt beágyazott elektronokkal. 1899-ben megmutatta, hogy Hertz kísérleteiben a megnövekedett érzékenység a testekre ható fény eredménye. Thomson felismerte, hogy az UV okozta az elektronok kibocsátását, ugyanazok a részecskék találhatók a katódsugarakban.

1911-ben JJ Thomson tanítványa Rutherford olyan modellt javasolt, amely az atomot pozitív töltésű magként (magként) írja le, amely szinte az összes tömeget koncentrálja, és amely körül az elektronok (negatív töltések) bizonyos távolságra keringenek, mint egy bolygórendszer.

1899-ben Philipp Lenard kimutatta, hogy a fémek ultraibolya fénnyel történő besugárzása negatív töltések vagy fotoelektronok kibocsátását eredményezheti. Megállapította, hogy a kibocsátott fotoelektronok kinetikus energiája független az azonos frekvenciájú fény intenzitásától. Mégis, az energiamegmaradás törvényével egyetértésben, több fotoelektront bocsátottak ki egy fényes forrás, mint egy homályos forrás.

hogyan kombinálta Einstein Newton testét és Planck Energiaelemeit

Albert Einstein megpróbálta megmagyarázni a fotoelektromos hatást azáltal, hogy feltámasztotta az Isaac Newton által támogatott fénytesteket. 1905-ben ő volt az első tudós, aki komolyan vette Planck energiaelemeit, azt javasolva, hogy a fény energiacsomagokban jöjjön létre. Egy gerendában vannak “kvantumok” kötegek.”Nem azt mondta, hogy a fény “részecske.”Einstein szerint, a” könnyű kvantum ” energia e) a következő:

e ++ = h · f

ahol, mint korábban:

h = Planck állandója (6,626 10))

f = az elektromágneses sugárzás gyakorisága

Einstein felismerte, hogy a Planck-modell valós volt. Amit az elektromágneses sugárzás folyamatos hullámaként érzékelünk, az diszkrét kvantumok áramlása. A kvantumfizika ezen alapvető képletét Planck-Einstein kapcsolatnak is nevezik, hitelt adva Planck munkájának is.

Einstein jóslata volt:

Eē = ½ · m · v2 = Eᵧ – W = h · f – W

, ahol:

Eē = energia az elektron

v = sebesség elektron

m = tömeg elektron

Eᵧ = energia, a fény-kvantum

W = munka funkció (állandó, függ a fém)

A munka funkció W az energia felszabadításához szükséges egy elektron egy adott fém (valamiféle energia kibocsátása). Ez függ a fémtől, kristályos szerkezetétől, valamint a felület polírozásától.

Einstein kijelentette, hogy amikor egy fénykvantum energiát szolgáltat a fémnek, annak egy része a munkafunkcióhoz, a többi pedig az elektronokhoz jut, mint kinetikus energia. A fémek nulla sebességgel bocsátják ki az elektronokat, ha a szolgáltatott energia pontosan a munka funkciója. Ebből az egyenletből azt is megítélhetjük, hogy nem minden fényfrekvencia szabadít fel elektronokat egy adott fémen.

a kísérleti adatok pontatlanok voltak abban az időben, és a fotoelektronok energiájának tízéves mérése után 1916-ban Robert Andrews Millikan igazolta Einstein sejtését.

Einstein azt is javasolta, hogy a kvantum lendületet kapjon. 1917-ben kifejlesztette elméletét azáltal, hogy P = E lendületet adott a Fénykvantumnak. Csak akkor volt egy igazi részecske tulajdonságai. Megerősítette, hogy a fény úgy viselkedik, mint a hullámok és mint a részecskék.

1921-ben Einstein fizikai Nobel-díjat kapott ” az elméleti fizikával kapcsolatos szolgálataiért, különösen a fotoelektromos hatás törvényének felfedezéséért.”Egy évvel később, 1922-ben kapta meg.

1923-ban Compton kísérletileg igazolta a fény kvantumenergiájával és lendületével kapcsolatos feltételezéseket, szórási kísérletét alkalmazva, és röntgenkvantumokkal bombázva az elektronokat.

Gilbert Lewis felfedezése a Fotonokról

bár lehet hallani és megérteni a fénykvantum kifejezést, szokás fotonokról beszélni és írni. 1926 — ban Gilbert Lewis, egy fizikai vegyész azt javasolta, hogy a fénykvantum helyett egy újfajta atomot — amit fotonnak nevezett-tekintsünk a fény hordozójának.

Lewis fotonja azonban olyan koncepció volt, amely eltér Einstein javaslataitól. A történet túl hosszú ahhoz, hogy itt leírjuk, de az 1920-as évek végétől a fizikusok úgy vélték, hogy a foton kifejezés megfelelő szinonimája annak a fénykvantumnak, amelyet Einstein 1905-ben vezetett be.

a fotoelektromos hatás akkor fordul elő, amikor a fény egy fémre ragyog. Kép jóvoltából Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

5.ábra. A fotoelektromos hatás akkor fordul elő, amikor a fény egy fémre ragyog. Kép jóvoltából Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

áttekintés: a fotoelektromos hatás tulajdonságai

a következő tulajdonságok foglalják össze a fotoelektromos hatás kísérleti megfigyeléseit:

• a fény által besugárzott polírozott fémlemezek elektronokat bocsáthatnak ki, fotoelektronoknak nevezik, fotoelektronokat hozva létre.
• egy adott fényérzékeny anyag esetében a fény kritikus frekvenciája van, amely alatt semmi sem történik. A frekvencia növekedésével a folyamat elkezd működni, felszabadítva a fotoelektronokat. Ez a magnitúdó a küszöbfrekvencia F), és csak f > F) esetén van áram, függetlenül attól, hogy milyen magas az intenzitás. F) a fémtől, annak felületi állapotától (vagyis annak polírozottságától), valamint a fém kristályszerkezetében lévő szabad elektronoktól függ.
• az áram nagysága közvetlenül arányos a fény intenzitásával, feltéve, hogy f > F++.
• fontos tulajdonság, hogy a fotoelektronok energiája független a fény intenzitásától.
• a fotoelektronok energiája lineárisan növekszik a fény frekvenciájával. A fotoelektromos hatás ezen tulajdonsága nem könnyű megérteni, tekintve a fényt hullámnak. Einstein válaszolt: a fény energiacsomagokban jön.

fontos megérteni a fény természetét, valamint azt a jelenséget, amelyen keresztül a fény elektromos energiát képes előállítani, hogy jobban megértsük a napelemek működését.

a fény úgy viselkedik, mint a hullámok és a részecskék. A fémre fénylő fény kiűzi az elektronokat a felületéről. Ez a jelenség a fotoelektromos hatás, az elektronokat fotoelektronoknak nevezik. A kísérletek azt mutatják, hogy a fényfrekvencia növelésével a fotoelektronok kinetikus energiája növekszik, a fény fokozásával pedig az áram növekszik.