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

zonnecellen worden gevoed door het licht van de zon. Dit wetende, is de eerste vraag die we ons moeten stellen: “Wat is licht?”op de voet gevolgd door” hoe is het mogelijk om licht om te zetten in elektriciteit?”Deze vragen zijn niet gemakkelijk te beantwoorden.het begrijpen van de aard van licht is al eeuwen een uitdagende taak voor filosofen en wetenschappers die aan dit onderwerp werken. Optica is een van de oudste disciplines bestudeerd door mannen, en het proces van het omzetten van licht in elektriciteit begon uit toevallige observatie.dit artikel is verre van een formele studie van de kwantumfysica, maar heeft tot doel belangrijke ontdekkingen te onderwijzen van sommige wetenschappers en filosofen die hun werk wijdden aan de studie van licht en zijn toepassingen. Het legt de basis voor het begrijpen hoe zonnecellen licht kunnen omzetten in elektrische stroom.

Opmerking: De in dit artikel gebruikte eenheidssystemen zijn Het Internationaal Systeem van eenheden (SI) en eenheden die voor gebruik met het SI zijn aanvaard.het begin van het begrijpen van licht het onderzoek naar de aard van licht begint in het oude Griekenland, waar filosofen als Plato, Socrates, Aristoteles, Pythagoras en Euclides (optica) hun mening over deze kwestie gaven. Tijdens de Middeleeuwen in de islamitische wereld werkten wetenschappers als Abu Ali Mohammed Ibn Al has Ibn Al Haytham, nu bekend als Alhazen, aan theorieën over licht en visie.van de jaren 1600 tot de jaren 30 maakten veel beroemde wetenschappers ook belangrijke stappen in de richting van ons begrip van wat licht is en hoe het werkt. In 1672 stelde Isaac Newton dat deeltjes, geen Golven, Licht maken (corpusculaire theorie). Christiaan Huygens, Thomas Young en Augustin-Jean Fresnel geloofden dat licht een golf was. James Clerk Maxwell voorspelde theoretisch het bestaan van elektromagnetische golven. Max Planck dacht dat zwarte lichamen energie uitstraalden in discrete pakketten, en Albert Einstein beweerde dat licht in bundels van energie kwam.in 1678 ontwikkelde Christiaan Huygens een nuttige techniek om te bepalen hoe en waar lichtgolven zich voortplanten. Huygens ‘ principe van licht dat door een spleet gaat hielp bewijzen dat licht een golf is. Echter, tegen die tijd werd dit principe niet beschouwd als bewijs genoeg om aan te tonen dat licht een golf was, voornamelijk als gevolg van Isaac Newton ‘ s onenigheid en zijn reputatie onder de wetenschappelijke samenleving.in 1801 deed Thomas Young zijn double-spleet interferentie experiment. Dit experiment toonde aan dat lichtgolven die door twee spleten gaan elkaar overlappen (elkaar optellen of opheffen) en een interferentiepatroon vormen. Watergolven, geluidsgolven en golven van alle verschillende soorten vertonen hetzelfde interferentieverschijnsel. De resultaten van dit experiment bewees het golfkarakter van licht.in 1865 toonde James Clerk Maxwell in zijn publicatie A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field dat een lichtbundel een reizende golf van elektrische en magnetische velden is, dat wil zeggen een elektromagnetische golf. Door de snelheid van de golven te vergelijken met de lichtsnelheid, gemeten door Fizeau en Foucault, concludeerde hij:

“de overeenstemming van de resultaten lijkt aan te tonen dat licht en magnetisme affecties van dezelfde stof zijn en dat licht een elektromagnetische storing is die door het veld wordt gepropageerd volgens elektromagnetische wetten.Huygens ‘golftheorie voor licht was wiskundig minder ingewikkeld dan Maxwell’ s elektromagnetische theorie.

het berekenen van de lichtgolflengte en-frequentie

De kleur van het licht hangt af van de golflengte, waarbij het licht wordt begrepen als een elektromagnetische golf. In een periodieke Golf is golflengte (λ) de afstand van kuif tot kuif of Van trog tot trog op de golfvorm. De gebruikelijke eenheden van Golflengte zijn meters, centimeters, millimeters en nanometers.

in het zichtbare spectrum heeft violet de kortste golflengte en rood de langste. De golflengte van ultraviolette (UV) straling is korter dan die van violet licht. Ook is de golflengte van infrarode straling langer dan de golflengte van rood licht.

figuur 1. Het zichtbare spectrum is het deel van het elektromagnetische spectrum dat zichtbaar is voor het menselijk oog. Figuur met dank aan Michigan State University.

golffrequentie f is het aantal golven dat een vast punt per tijdseenheid passeert, gemeten in Hertz (Hz). Eén Hertz is gelijk aan één golf die een vast punt passeert in één seconde. Nog steeds in gebruik is de vroegere term cycli per seconde.

de periode T = 1 / f is de tijd die een periodieke Golf nodig heeft om door een volledige cyclus van zijn beweging te gaan. De SI-eenheid is de Tweede (s).

Het is van essentieel belang erop te wijzen dat, alvorens de begrippen golflengte, frequentie en periode te verbinden, licht een reizende Golf is. Een bewegende golf beweegt in een richting en reist een afstand van één golflengte λ in een tijd gelijk aan één periode T. als hij reist, heeft hij een snelheid v. Deze snelheid heeft betrekking op frequentie en Golflengte door de uitdrukking v = λ/T = λ · f.

De geaccepteerde lichtsnelheid is 299.792.458 m/s, afgerond op 2.998 x 10⁸, en uitgedrukt als c. elke keer dat conversie van golflengte naar frequentie (of vice versa) nodig is, wordt de uitdrukking c = λ · f gebruikt.

Figuur 2. Een diagram van elektromagnetische golven. Figuur met dank aan de nationale weerdienst.

het elektromagnetische spectrum wordt in volgorde van toenemende golflengte gescheiden in de volgende gebieden: gammastralen, röntgenstralen, ultraviolet, zichtbaar licht, infrarood, microgolven en radiogolven. Elektromagnetische energie van de zon bestaat voornamelijk uit zichtbare en infrarode golflengten, met kleine hoeveelheden ultraviolet, microgolfstraling en radiogolfstraling.

Figuur 3.Zichtbaar licht kleuren en golflengten.

Het zichtbare licht kleuren en golflengten zijn:

• Violet (400-450 nm)
• Indigo (420-450 nm)
• Blauw (450-495 nm)
• Groene (495-570 nm)
• Geel (570-590 nm)
• Oranje (590-620 nm)
• Rood (620-750 nm)

Het menselijk oog ziet dit mengsel van kleuren als wit, met een golflengte van 400 nm tot 750 nm. Wit licht bestaat uit componenten van vrijwel alle kleuren in het zichtbare spectrum met ongeveer gelijkmatige intensiteiten. Wanneer doorgegeven door een prisma, wit licht wordt verspreid in alle kleuren.

Figuur 4. Wit licht is een mengsel van alle kleuren licht.

Newton was de eerste die erin slaagde wit zonlicht te scheiden in zijn gekleurde componenten.

Black Body Radiation en Planck ‘ s constante

in 1860 verklaarde Gustav Kirchhoff dat sommige Objecten alle energie absorberen en vervolgens uitstralen die ze raken. Hij noemde dit voorval black body radiation. Kirchhoff en Robert Bunsen onderzochten het zonnespectrum en publiceerden een artikel in 1861, waarin ze de chemische elementen in de atmosfeer van de zon en de spectra van die elementen identificeerden. Kirchhoff kreeg in 1862 de Rumford Medal voor zijn onderzoek over dit onderwerp.in 1900 deed Max Planck een grondige studie van de straling van het zwarte lichaam en concludeerde dat de hoeveelheid uitgestraalde energie evenredig was met de frequentie van de elektromagnetische golven die het zwarte lichaam absorbeerde. Deze energie-emissie was in de vorm van kleine, discrete energiepakketten die hij “quanta” noemde (kwantum is de enkelvoudige vorm, van het Latijn voor “hoeveel, hoeveel”). Deze kwanta konden alleen specifieke discrete waarden verkrijgen in veelvouden van een constante. Tegenwoordig staat dit concept bekend als de constante van Planck.in 1901 toonde Planck aan dat uitgaande van stralingsenergie een integraal aantal energie-elementen bestaat.”Het energie-element E moet proportioneel zijn met de frequentie f, dus:

E = h · f

waarbij:

E = energie-element

h = Planck ‘ s constante (6.626 1033 J J s)

f = frequentie van de elektromagnetische straling

deze waarden zouden worden gekwantiseerd, en deze demonstratie was de eerste cruciale stap in de ontwikkeling van de kwantumfysica, die de aard van minuscule elementaire deeltjes bestudeert. Het was de eerste keer dat iemand de energie kwantiseerde.Planck geloofde echter niet dat straling in kleine stukjes was opgesplitst, zoals zijn wiskundige analyse aantoonde. Hij beschouwde E = h * f als een wiskundige truc of gemak die hem de juiste antwoorden gaf om een technisch probleem met zwarte lichamen op te lossen. In zijn eigen woorden:

” als de kwantum van actie een fictieve hoeveelheid was, dan was de hele deductie van de stralingswet in de belangrijkste illusoire en vertegenwoordigde niets meer dan een leeg niet-significant spel op formules.”

Hertz en Hallwachs werken om het foto-elektrisch Effect te begrijpen

Het foto-elektrisch effect is al vele jaren bestudeerd en is nog niet volledig begrepen.in 1887 ontwierp Heinrich Hertz enkele experimenten met een spark gap generator om Maxwell ‘ s hypothese te testen. Deze experimenten produceerden de eerste transmissie en ontvangst van elektromagnetische golven.

vonken gegenereerd tussen twee kleine metalen bolletjes in een zender geïnduceerde vonken die sprongen tussen twee gepolijste messing knoppen in een koperdraadlus die werkte als een ontvanger. Een kleine vonk sprong tussen deze twee elektroden. Hertz merkte dat hij de vonk van de ontvanger krachtiger kon maken door de elektroden te verlichten met ultraviolet licht. Hij creëerde geen theorie die het waargenomen fenomeen kon verklaren, maar dit was de eerste waarneming van het foto-elektrisch effect.een jaar later bevestigde Wilhelm Hallwachs deze resultaten en toonde aan dat ultraviolet licht dat schijnt op een geëvacueerde kwartslamp met twee zinkplaten als elektroden en aangesloten op een batterij een stroom genereerde als gevolg van elektronenemissie, of foto-elektrische stroom.

Stoletov en het foto-Effect

van 1888 tot 1891 voerde de Russische natuurkundige Alexander Stoletov een analyse uit van het foto-effect. Hij ontdekte de directe proportionaliteit tussen de intensiteit van het licht en de geïnduceerde foto-elektrische stroom. Tegenwoordig staat dit bekend als de wet van Stoletov.in 1897 ontdekte JJ Thomson elektronen, die hij “corpuscles” noemde.”Vervolgens stelde hij een model voor voor de structuur van het atoom, in de volksmond bekend als het “plum pudding model” omdat het een uniforme bol was van positief geladen materie met ingebedde elektronen. In 1899 toonde hij aan dat de verhoogde gevoeligheid in Hertz ‘ experimenten het resultaat was van het duwen van licht op bloedlichaampjes. Thomson herkende dat UV de emissie van elektronen veroorzaakte, dezelfde deeltjes die in kathodestralen worden aangetroffen.in 1911 stelde JJ Thomson ‘ s student Rutherford een model voor dat het atoom beschreef als een positief geladen kern (kern) die bijna alle Massa concentreert en waaromheen de elektronen (negatieve ladingen) op enige afstand circuleren, zoals een planetair systeem.in 1899 toonde Philipp Lenard aan dat het bestralen van metalen met ultraviolet licht negatieve ladingen of foto-elektronen kan veroorzaken. Hij vond dat de kinetische energie van de uitgezonden foto-elektronen onafhankelijk was van de intensiteit van het licht van dezelfde frequentie. Toch, in overeenstemming met de wet van behoud van energie, werden meer foto-elektronen uitgestoten door een heldere bron dan een schemerige bron.

hoe Einstein Newton ’s bloedlichaampjes en Planck’ s energie-elementen combineerde

Albert Einstein probeerde het foto-elektrische effect te verklaren door het idee van lichtlichaampjes weer op te wekken dat Isaac Newton voorstond. In 1905 was hij de eerste wetenschapper die Planck ‘ s energie-elementen serieus nam en voorstelde dat licht in bundels energie komt. In een balk, zijn er bundels van ” quanta. Hij zei niet dat licht een deeltje is. Volgens Einstein is een” lichtkwantum “- energie Eᵧ:

Eᵧ = h * f

waar, zoals voorheen:

h = Planck ’s constante (6.626 1033 J J s)

f = frequentie van de elektromagnetische straling

Einstein herkende dat Planck’ s model echt was. Wat we waarnemen als een continue golf van elektromagnetische straling is een stroom van discrete kwanta. Deze essentiële formule voor de kwantumfysica staat ook bekend als de relatie Planck-Einstein, wat ook Plancks werk eer aandoet.

Einstein ‘ s voorspelling was:

Eē = ½ · m · v2 = Eᵧ – W = h · f – W

waar:

Eē = energie van het elektron

v = snelheid van het elektron

m = massa van het elektron

Eᵧ = de energie van het licht quantum

W = werk-functie (constante afhankelijk van het metaal)

Het werk van de functie W is de energie die nodig is om een elektron uit een specifieke metalen (een soort van energie). Het hangt af van het metaal, de kristallijne structuur en hoe gepolijst het oppervlak is.

Einstein stelde dat wanneer een lichtkwantum energie E supplies levert aan metaal, een deel ervan naar de werkfunctie gaat en de rest naar elektronen als kinetische energie. Metalen geven elektronen met nulsnelheid vrij als de geleverde energie juist zijn werkfunctie is. We kunnen ook uit deze vergelijking opmaken dat niet alle lichtfrequenties elektronen op een bepaald metaal zullen afgeven.de experimentele gegevens waren op dat moment onnauwkeurig en het was na tien jaar metingen van de energie van de foto-elektronen dat Robert Andrews Millikan in 1916 Einsteins vermoeden bevestigde.

Einstein stelde ook voor dat quanta momentum heeft. In 1917 ontwikkelde hij zijn theorie door een momentum van p = Eᵧ/c = h · f/c = h/λ toe te wijzen aan de lichtkwantum. Pas toen had het de eigenschappen van een echt deeltje. Hij bevestigde dat licht zich gedraagt als golven en deeltjes.in 1921 kreeg Einstein de Nobelprijs voor de natuurkunde voor “zijn diensten aan de theoretische natuurkunde, en vooral voor zijn ontdekking van de wet van het foto-elektrisch effect. Hij ontving het een jaar later, in 1922.in 1923 bevestigde Compton de veronderstellingen over de kwantumenergie en het momentum van het licht experimenteel, door gebruik te maken van zijn verstrooiingsexperiment en elektronen te bombarderen met x-ray quanta.

Gilbert Lewis’ ontdekking van fotonen

hoewel men de term lichtkwantum kan horen en begrijpen, is het gebruikelijk om over fotonen te spreken en te schrijven. In 1926 stelde Gilbert Lewis, een fysisch chemicus, voor om in plaats van de lichtkwantum, een nieuw soort atoom — wat hij een foton noemde — te beschouwen als de drager van licht.echter, Lewis ‘foton was een concept dat afwijkt van Einstein’ s voorstellen. Het verhaal is te lang om hier te beschrijven, maar vanaf de late jaren 1920 beschouwden natuurkundigen de term foton als een geschikt synoniem voor het lichtkwantum dat Einstein in 1905 introduceerde.

Het foto-elektrisch effect treedt op wanneer licht op een metaal schijnt. Figuur met dank aan Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Figuur 5. Het foto-elektrische effect treedt op wanneer licht schijnt op een metaal. Figuur met dank aan Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

overzicht: eigenschappen van het foto-elektrisch Effect

de volgende eigenschappen geven een samenvatting van de experimentele waarnemingen van het foto-elektrisch effect:

• gepolijste metalen platen die met licht worden bestraald, kunnen elektronen, foto-elektronen genaamd, uitstoten waardoor een foto-elektrische stroom ontstaat.
• voor een bepaald lichtgevoelig materiaal is er een kritische frequentie van het licht waaronder niets gebeurt. Naarmate de frequentie toeneemt, begint het proces te werken, waardoor foto-elektronen vrijkomen. Deze magnitude is de drempelfrequentie fₒ, en er is alleen een stroom voor f > fₒ, ongeacht hoe hoog de intensiteit mag zijn. fₒ hangt af van het metaal, zijn oppervlakteconditie (d.w.z., hoe gepolijst het is), en van de vrije elektronen in de kristallijne structuur van het metaal.
• de grootte van de stroom is recht evenredig met de intensiteit van het licht, op voorwaarde dat f > fₒ.
• een cruciale eigenschap is dat de energie van de foto-elektronen onafhankelijk is van de intensiteit van het licht.
• de energie van de foto-elektronen neemt lineair toe met de frequentie van het licht. Deze eigenschap van het foto-elektrisch effect is niet gemakkelijk te begrijpen, gezien het licht als een golf. Einstein kwam met een antwoord: licht komt in bundels energie.

Het is belangrijk om zowel de aard van licht als het fenomeen waardoor licht elektrische energie kan produceren te begrijpen om beter te begrijpen hoe zonnecellen werken.

licht gedraagt zich als zowel golven als deeltjes. Licht scheen op metaal verdrijft elektronen van het oppervlak. Dit fenomeen is het foto-elektrisch effect, en de elektronen worden foto-elektronen genoemd. Experimenten geven aan dat door het verhogen van de lichtfrequentie, de kinetische energie van de foto-elektronen toeneemt, en door het versterken van het licht, de stroom toeneemt.