En Historie om Den Fotoelektriske Effekten og Dens Rolle i Solar PV

Solceller er drevet av solens lys. Å vite dette, det første spørsmålet vi bør stille er » hva er lys?»fulgt tett av «hvordan er det mulig å konvertere lys til elektrisitet?»Dette er ikke lett besvarte spørsmål . Å Forstå lysets natur har vært en utfordrende oppgave for århundrer av filosofer og forskere som arbeider med dette emnet. Optikk er en av de eldste disipliner studert av menn, og prosessen med å konvertere lys til elektrisitet startet fra uformell observasjon.Langt Fra å være en formell studie av kvantefysikk, tar denne artikkelen sikte på å lære viktige funn fra noen av forskerne og filosofene som viet sitt arbeid til studiet av lys og dets applikasjoner. Det legger grunnlaget for å forstå hvordan solceller kan konvertere lys til elektrisk strøm.

Merk: enhetssystemene som brukes i denne artikkelen er Det Internasjonale System Av Enheter (Si) og enheter akseptert for BRUK MED SI.

Begynnelsen Av Å Forstå Lys

Forskning på lysets natur er kjent for å starte i det gamle Hellas, hvor filosofer Som Platon, Sokrates, Aristoteles, Pythagoras og Euclid (Optikk) ga meninger om saken. Under middelalderen i Den Islamske verden, forskere som Abu Ali Mohammed Ibn Al Hasn Ibn al Haytham, kjent nå Som alhazen, jobbet på teorier om lys og visjon.Fra 1600-tallet til 1930-tallet gjorde mange kjente forskere også betydelige skritt mot vår forståelse av hva lys er og hvordan det fungerer. I 1672 uttalte Isaac Newton at partikler, ikke bølger, lager lys (corpuscular theory). Christiaan Huygens, Thomas Young og Augustin-Jean Fresnel mente at lyset var en bølge. James Clerk Maxwell forutså teoretisk eksistensen av elektromagnetiske bølger. Max Planck trodde at svarte kropper utsendte energi i diskrete pakker, Og Albert Einstein hevdet at lyset kom i bunter av energi.

Påviste Lysbevegelser i Bølger

I 1678 utviklet Christiaan Huygens en nyttig teknikk for å definere hvordan og hvor lysbølger forplanter seg. Huygens prinsipp om lys som passerer gjennom en spalt bidro til å bevise at lys er en bølge. Men på den tiden ble dette prinsippet ikke ansett som bevis nok til å vise at lyset var en bølge, hovedsakelig på Grunn Av Isaac Newtons uenighet og hans rykte blant det vitenskapelige samfunn.I 1801 gjorde Thomas Young sitt dobbeltspalte interferenseksperiment. Dette eksperimentet viste at bølger av lys som passerer gjennom to spalter overlapper (legger til eller avbryter hverandre) og danner et interferensmønster. Vannbølger, lydbølger og bølger av alle forskjellige typer viser samme interferensfenomen. Dette eksperimentets resultater viste lysets bølgekarakter.I 1865 Viste James Clerk Maxwell I sin publikasjon En Dynamisk Teori om Det Elektromagnetiske Feltet at en lysstråle er en reisebølge av elektriske og magnetiske felt, dvs. en elektromagnetisk bølge. Sammenligning av bølgens hastighet med lysets hastighet, målt Av Fizeau og Foucault, konkluderte han:

» avtalen av resultatene ser ut til å vise at lys og magnetisme er følelser av samme stoff og at lys er en elektromagnetisk forstyrrelse forplantet gjennom feltet, i henhold til elektromagnetiske lover.»

Huygens ‘ bølgeteori for lys var matematisk mindre komplisert Enn Maxwells elektromagnetiske teori.

Beregning Av Lysbølgelengde og Frekvens

lysets farge avhenger av bølgelengden, og forstår lyset som en elektromagnetisk bølge. I en periodisk bølge er bølgelengde (λ) avstanden fra crest til crest eller fra trough til trough på bølgeformen. De vanlige bølgelengdeenhetene er meter, centimeter, millimeter og nanometer.

i det synlige spektret har fiolett den korteste bølgelengden og rød har den lengste. Bølgelengden til ultrafiolett (UV) stråling er kortere enn for fiolett lys. På samme måte er bølgelengden til infrarød stråling lengre enn bølgelengden til rødt lys.

Figur 1. Det synlige spektret er den delen av det elektromagnetiske spektret som er synlig for det menneskelige øye. Bilde gjengitt Av Michigan State University.

Bølgefrekvens f er antall bølger som passerer et fast punkt per tidsenhet, målt I Hertz (Hz). En Hertz er lik en bølge som passerer et fast punkt på ett sekund. Fortsatt i bruk er det tidligere begrepet sykluser per sekund.

perioden T = 1 / f er tiden det tar en periodisk bølge å gå gjennom en fullstendig syklus av bevegelsen. Si-enheten er den andre (s).

det er viktig å påpeke at, før du kobler begrepene bølgelengde, frekvens og periode, lys er en reise bølge. En omreisende bølge beveger seg i en retning og beveger seg i en avstand på en bølgelengde λ i en tid som er lik en periode T. hvis den reiser, har den en hastighet v. denne hastigheten gjelder frekvens og bølgelengde gjennom uttrykket v = λ · T = λ * f.

den aksepterte lysets hastighet er 299.792.458 m / s, avrundet til 2.998 x 10int, og uttrykt som c. Hver gang konvertering av bølgelengde til frekvens (eller omvendt) er nødvendig, brukes uttrykket c = λ · f.

Figur 2. Et diagram av elektromagnetiske bølger. Bilde gjengitt av National Weather Service.

det elektromagnetiske spektret separeres etter rekkefølge av økende bølgelengde i følgende områder: gammastråler, røntgenstråler, ultrafiolett, synlig lys, infrarød, mikrobølger og radiobølger. Elektromagnetisk energi fra solen består hovedsakelig av synlige og infrarøde bølgelengder, med små mengder ultrafiolett, mikrobølgeovn og radiobølgestråling.

Figur 3.Synlige lysfarger og bølgelengder.

de synlige lysfargene og bølgelengdene er:

• Fiolett (400-450 nm)
• Indigo (420-450 nm)
• Blå (450-495 nm)
• Grønn (495-570 nm)
• Gul (570-590 nm)
• Oransje (590-620 rød (620-750 nm)

det menneskelige øye oppfatter denne blandingen av farger som hvit, med bølgelengder fra 400 nm til 750 nm. Hvitt lys består av komponenter fra nesten alle fargene i det synlige spekteret med omtrent ensartede intensiteter. Når det går gjennom et prisme, blir hvitt lys diffrakt i alle fargene.

Figur 4. Hvitt lys er en blanding av alle lysfarger.

Newton var den første Som lyktes i å skille hvitt sollys inn i sine fargede komponenter.

Svart Kroppsstråling og Plancks Konstant

I 1860 uttalte Gustav Kirchhoff at noen objekter absorberer og deretter avgir all energi som treffer dem. Han kalte denne forekomsten svart kroppsstråling. Kirchhoff og Robert Bunsen forsket på solspekteret og publiserte et papir i 1861, hvor de identifiserte de kjemiske elementene i solens atmosfære og spektrene til disse elementene. Kirchhoff ble tildelt Rumford-Medaljen for sin forskning på dette emnet i 1862.I 1900 gjorde Max Planck en grundig studie av svart kroppsstråling og konkluderte med at mengden energi som utstråles var proporsjonal med frekvensen av de elektromagnetiske bølgene som det svarte legemet absorberte. Denne energiutslippet var i form av små, diskrete energipakker som han kalte «quanta» (quantum er singularformen, fra Latin for «hvor mye, hvor mange»). Disse kvanta kunne bare skaffe seg bestemte diskrete verdier i multipler av en konstant. I dag er dette konseptet kjent Som Planck-konstanten.

I 1901 viste Planck at forutsatt strålende energi består av et integrert antall » energielementer.»Energielementet E må være proporsjonalt med frekvensen f, således:

E = h · f

hvor:

e = energielement

h = Plancks konstant (6,626 10ˉ3 demonstrasjon var det Første Avgjørende trinnet i utviklingen av kvantfysikk, som studerer naturen av små elementære partikler. Det var første gang at noen la merke til energien kvantisert.Planck trodde Imidlertid Ikke at stråling ble brutt opp i små biter, som hans matematiske analyse viste. Han anså E = h · f for å være et matematisk triks eller bekvemmelighet som ga Ham de riktige svarene for å løse et teknisk problem med svarte kropper, og synes aldri å ha tenkt dypt om sin fysiske betydning. Med egne ord:

«hvis handlingskvantumet var en fiktiv mengde, var hele fradraget av strålingsloven i hoved illusorisk og representerte ikke noe mer enn et tomt, ikke-signifikant spill på formler.»

Hertz Og Hallwachs Arbeider for Å Forstå Den Fotoelektriske Effekten

den fotoelektriske effekten har blitt studert i mange år og er ennå ikke fullt ut forstått.I 1887 designet Heinrich Hertz noen eksperimenter med en gnistgapgenerator for å teste Maxwells hypotese. Disse forsøkene produserte den første overføringen og mottakelsen av elektromagnetiske bølger.Gnister generert mellom to små metallkuler i en sender induserte gnister som hoppet mellom to polerte messingknapper i en kobbertrådsløyfe som fungerte som mottaker. En liten gnist hoppet mellom disse to elektrodene. Hertz la merke til at han kunne gjøre mottaker gnist mer kraftig ved å belyse elektrodene med ultrafiolett lys. Han skapte ikke noen teori som kunne forklare det observerte fenomenet, men dette var den første observasjonen av den fotoelektriske effekten.Et år senere bekreftet Wilhelm Hallwachs disse resultatene og viste at ultrafiolett lys skinner på en evakuert kvartspære med to sinkplater som elektroder og koblet til et batteri, genererte en strøm på grunn av elektronutslipp eller fotoelektrisk strøm.

Stoletov Og Bildeeffekten

fra 1888 til 1891 utførte russisk fysiker Alexander Stoletov en analyse av bildeeffekten. Han oppdaget den direkte proporsjonaliteten mellom lysets intensitet og den induserte fotoelektriske strømmen. I dag er Dette Kjent Som Stoletovs lov.

Oppdagelsen av Elektroner

I 1897 jj Thomson oppdaget elektroner, som han kalte » legemer. Han fortsatte med å foreslå en modell for atomets struktur, populært kjent som «plum pudding model» fordi det var en jevn sfære av positivt ladet materiale med innebygde elektroner. I 1899 viste Han at økt følsomhet i Hertz eksperimenter var et resultat av lys som presset på kroppslegemer. Thomson innså AT UV forårsaket utslipp av elektroner, de samme partiklene som finnes i katodestråler.I 1911 foreslo Jj Thomsons Student Rutherford en modell som beskrev atomet som en positivt ladet kjerne (kjerne) som konsentrerer nesten all masse og rundt hvilken elektronene (negative ladninger) sirkulerer i noen avstand, som et planetarisk system.

I 1899 Viste Philipp Lenard at bestråling av metaller med ultrafiolett lys kan gi utslipp av negative ladninger eller fotoelektroner. Han fant at den kinetiske energien til de utstrålede fotoelektronene var uavhengig av lysintensiteten av samme frekvens. Likevel, i samsvar med loven om bevaring av energi, ble flere fotoelektroner kastet ut av en lys kilde enn en svak kilde.

Hvordan Einstein Kombinerte Newtons Legemer og Plancks Energielementer

Albert Einstein forsøkte å forklare den fotoelektriske effekten ved å gjenopplive ideen om lette legemer forfektet Av Isaac Newton. Også i 1905 var Han den første forskeren som tok Plancks energielementer seriøst, og foreslo at lys kommer i bunter av energi. I en stråle er det bunter av » quanta.»Han sa ikke at lys er en» partikkel.»Ifølge Einstein, en «lys quantum» energi Eᵧ er:

Eᵧ = h · f

Hvor, som før:

h = plancks konstant (6.626 10ˉ3 # j s)

F = frekvensen av den elektromagnetiske strålingen

Einstein anerkjent At Plancks modell var ekte. Det vi oppfatter som en kontinuerlig bølge av elektromagnetisk stråling er en strøm av diskret kvanta. Denne essensielle formelen for kvantefysikk er også kjent Som Planck-Einstein-forholdet, og gir også kreditt Til Plancks arbeid.

Einsteins prediksjon var:

Eē = ½ · m · V2 = Eᵧ – W = h · f – W

hvor:

Eē = elektron energi

V = elektronens hastighet

M = elektronens masse

Eᵧ = kvanteenergi av lys

W = arbeidsfunksjon (konstant avhengig av metallet)

arbeidsfunksjonen w er energien som trengs for å frigjøre et elektron fra et bestemt metall (en Slags Frigjøringsenergi). Det avhenger av metallet, dets krystallinske struktur og hvor polert overflaten er.Einstein uttalte at Når et lett kvantum leverer energi Eᵧ Til metall, går noe av det til arbeidsfunksjonen og resten går til elektroner som kinetisk energi. Metaller frigjør elektroner med null hastighet hvis energien som leveres er nettopp dens arbeidsfunksjon. Vi kan også dømme fra denne ligningen at ikke alle lysfrekvenser vil frigjøre elektroner på et bestemt metall.de eksperimentelle dataene var unøyaktige på den tiden, og det var etter ti års målinger av fotoelektronens energi at Robert Andrews Millikan i 1916 bekreftet Einsteins formodning.

Einstein foreslo også at kvanta har momentum. I 1917 utviklet han sin teori ved å tildele et momentum på p = Eᵧ / c = h * f / c = h / λ til lyskvantumet. Først da hadde det egenskapene til en ekte partikkel. Han bekreftet at lyset oppfører seg som bølger og som partikler.I 1921 Ble Einstein tildelt Nobelprisen i fysikk for «hans tjenester Til Teoretisk Fysikk, og spesielt for hans oppdagelse av loven om den fotoelektriske effekten.»Han mottok det ett år senere, i 1922 . I 1923 validerte Compton antagelsene om lysets kvanteenergi og momentum eksperimentelt, ved å bruke spredningseksperimentet og bombardere elektroner med røntgenkvanter.

Gilbert Lewis ‘ Oppdagelse av Fotoner

selv om man kan høre og forstå begrepet lyskvantum, er det vanlig å snakke og skrive om fotoner. I 1926 Foreslo Gilbert Lewis, en fysisk kjemiker, at i stedet for lyskvantumet, bør man vurdere en ny type atom – det han kalte en foton – som bærer av lys.Imidlertid Var Lewis ‘ foton et konsept som divergerte Fra Einsteins forslag. Historien er for lang til å beskrive her, men fra slutten av 1920-tallet anså fysikere begrepet foton for å være et passende synonym for lyskvantumet Som Einstein introduserte I 1905.

den fotoelektriske effekten oppstår når lys skinner på et metall. Bilde gjengitt Av Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Figur 5. Den fotoelektriske effekten oppstår når lys skinner på et metall. Bilde gjengitt Av Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Gjennomgang: Egenskaper For Den Fotoelektriske Effekten

følgende egenskaper oppsummerer de eksperimentelle observasjonene på den fotoelektriske effekten:

• Polerte metallplater bestrålt med lys kan avgi elektroner, kalt fotoelektroner, og skaper en fotoelektrisk strøm.
• for et gitt lysfølsomt materiale er det en kritisk frekvens av lyset under hvilket ingenting skjer. Etter hvert som frekvensen øker, begynner prosessen å fungere, og frigjør fotoelektroner. Denne størrelsen er terskelfrekvensen fₒ, og det er bare en strøm for f > fₒ, uansett hvor høy intensiteten kan være. fₒ avhenger av metallet, overflatetilstanden (dvs.hvor polert det er), og på de frie elektronene i metallets krystallinske struktur.
• størrelsen på strømmen er direkte proporsjonal med lysets intensitet, forutsatt at f > fₒ.en viktig egenskap er at fotoelektronenes energi er uavhengig av lysets intensitet.
• energien til fotoelektronene øker lineært med lysets frekvens. Denne egenskapen til den fotoelektriske effekten er ikke lett å forstå, vurderer lys som en bølge. Einstein kom opp med et svar: lys kommer i bunter av energi.

det er viktig å forstå lysets natur, samt fenomenet der lys kan produsere elektrisk energi for å bedre forstå hvordan solceller fungerer.

Lys oppfører seg som både bølger og partikler. Lys skinnet på metall utviser elektroner fra overflaten. Dette fenomenet er den fotoelektriske effekten, og elektronene kalles fotoelektroner. Eksperimenter indikerer at ved å øke lysfrekvensen øker fotoelektronens kinetiske energi, og ved å intensivere lyset øker strømmen.