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

ogniwa słoneczne są napędzane przez światło słoneczne . Wiedząc o tym, pierwszym pytaniem, które powinniśmy zadać, jest „czym jest światło? jak można przekształcić światło w energię elektryczną?”Niełatwo odpowiedzieć na te pytania.

zrozumienie natury światła było trudnym zadaniem przez wieki filozofów i naukowców pracujących nad tym tematem. Optyka jest jedną z najstarszych dyscyplin studiowanych przez mężczyzn, a proces przekształcania światła w elektryczność rozpoczął się od przypadkowej obserwacji.

Ten artykuł nie jest formalnym studium fizyki kwantowej, ma na celu nauczenie kluczowych odkryć niektórych naukowców i filozofów, którzy poświęcili swoją pracę badaniu światła i jego zastosowań. Stanowi podstawę do zrozumienia, w jaki sposób ogniwa słoneczne mogą przekształcać światło w prąd elektryczny.

Uwaga: systemy jednostek zastosowane w tym artykule są międzynarodowym systemem jednostek (SI) i jednostkami przyjętymi do użycia z SI.

początki rozumienia światła

badania nad naturą światła zaczynają się w starożytnej Grecji, gdzie filozofowie tacy jak Platon, Sokrates, Arystoteles, Pitagoras i Euklides (Optyka) wydawali opinie na ten temat. W średniowieczu w świecie islamskim naukowcy tacy jak Abu Ali Mohammed Ibn al Hasn Ibn Al Haytham, znany obecnie jako Alhazen, pracowali nad teoriami światła i widzenia.

od 1600 do 1930 roku wielu znanych naukowców poczyniło również znaczące kroki w kierunku naszego zrozumienia, czym jest światło i jak działa. W 1672 Isaac Newton stwierdził, że cząstki, a nie fale, tworzą światło (teoria korpuskularna). Christiaan Huygens, Thomas Young i Augustin-Jean Fresnel wierzyli, że światło jest falą. James Clerk Maxwell teoretycznie przewidział istnienie fal elektromagnetycznych. Max Planck uważał, że czarne ciała emitują energię w dyskretnych pakietach, a Albert Einstein twierdził, że światło przychodzi w wiązkach energii.

udowodnienie Ruchu Światła w falach

w 1678 roku Christiaan Huygens opracował użyteczną technikę określania sposobu i miejsca propagacji fal świetlnych. Zasada światła przechodzącego przez szczelinę Huygensa pomogła udowodnić, że światło jest falą. Jednak w tym czasie zasada ta nie została uznana za wystarczający dowód, aby pokazać, że światło jest falą, głównie z powodu niezgody Isaaca Newtona i jego reputacji wśród społeczeństwa naukowego.

w 1801 roku Thomas Young przeprowadził eksperyment interferencyjny z podwójną szczeliną. Eksperyment ten wykazał, że fale światła przechodzące przez dwie szczeliny nakładają się na siebie (dodają lub anulują) i tworzą wzór interferencji. Fale wodne, fale dźwiękowe i fale wszystkich różnych typów wykazują to samo zjawisko interferencji. Wyniki tego eksperymentu dowiodły falowego charakteru światła.

w 1865 roku James Clerk Maxwell pokazał w swojej publikacji dynamiczną teorię pola elektromagnetycznego, że wiązka światła jest ruchomą falą pól elektrycznych i magnetycznych, czyli falą elektromagnetyczną. Porównując prędkość fal z prędkością światła, mierzoną przez Fizeau i Foucaulta, doszedł do wniosku, że:

„porozumienie wyników wydaje się pokazywać, że światło i magnetyzm są uczuciami tej samej substancji i że światło jest zaburzeniem elektromagnetycznym propagowanym przez pole, zgodnie z prawami elektromagnetycznymi.”

teoria fal Huygensa dla światła była matematycznie mniej skomplikowana niż teoria elektromagnetyczna Maxwella.

obliczanie długości fali światła i Częstotliwości

kolor światła zależy od długości fali, rozumiejąc światło jako falę elektromagnetyczną. W falach okresowych długość fali (λ) to odległość od szczytu do szczytu lub od koryta do koryta w kształcie fali. Zwykłymi jednostkami długości fali są metry, centymetry, milimetry i nanometry.

w widmie widzialnym fiolet ma najkrótszą długość fali, a czerwień najdłuższą. Długość fali promieniowania ultrafioletowego (UV) jest krótsza niż w przypadku światła fioletowego. Podobnie długość fali promieniowania podczerwonego jest dłuższa niż długość fali światła czerwonego.

Rysunek 1. Widmo widzialne to część widma elektromagnetycznego widoczna dla ludzkiego oka. Zdjęcie dzięki uprzejmości Michigan State University.

częstotliwość fal f to liczba fal, które mijają stały punkt na jednostkę czasu, mierzona w hercach (Hz). Jeden Hertz równa się jednej fali przechodzącej przez stały punkt w ciągu jednej sekundy. Nadal w użyciu jest poprzedni okres cykli na sekundę.

okres T = 1/f to czas potrzebny okresowej fali, aby przejść przez jeden pełny cykl jej ruchu. Jednostką układu SI jest sekunda (s).

należy podkreślić, że przed połączeniem pojęć długości fali, częstotliwości i okresu światło jest falą podróżującą. Fala podróżująca porusza się w jednym kierunku i przemierza odległość o długości fali λ w czasie równym jednemu okresowi T. jeśli podróżuje, ma prędkość v. Prędkość ta odnosi się do częstotliwości i długości fali poprzez wyrażenie v = λ/t = λ · f.

akceptowana prędkość światła wynosi 299,792,458 m/s, zaokrąglona do 2,998 x 10⁸ i wyrażona jako c. za każdym razem, gdy wymagana jest konwersja długości fali na częstotliwość (lub odwrotnie), stosuje się wyrażenie c = λ · f.

Rysunek 2. Schemat fal elektromagnetycznych. Zdjęcie dzięki uprzejmości National Weather Service.

widmo elektromagnetyczne jest rozdzielane według kolejności rosnących długości fali na następujące obszary: promienie gamma, promienie x, ultrafiolet, światło widzialne, podczerwień, mikrofale i fale radiowe. Energia elektromagnetyczna słońca składa się głównie z fal widzialnych i podczerwonych, z niewielkimi ilościami promieniowania ultrafioletowego, mikrofalowego i fal radiowych.

Rysunek 3.Widoczne kolory światła i długości fal.

kolory światła widzialnego i długości fal to:

• Fioletowy (400-450 nm)
• indygo (420-450 nm)
• Niebieski (450-495 nm)
• Zielony (495-570 nm)
• Żółty (570-590 nm)
• pomarańczowy (590-620 nm)
• czerwony (620-750 nm)

ludzkie oko postrzega tę mieszaninę kolorów jako białą, o długościach fal od 400 nm do 750 Nm. Białe światło składa się z elementów składowych z praktycznie wszystkich kolorów w widmie widzialnym o mniej więcej jednakowej intensywności. Po przejściu przez pryzmat białe światło jest rozpraszane na wszystkie kolory.

Rysunek 4. Białe światło jest mieszaniną wszystkich kolorów światła.

Newton był pierwszym, któremu udało się rozdzielić białe światło słoneczne na jego kolorowe komponenty.

promieniowanie ciała czarnego i stała Plancka

w 1860 roku Gustav Kirchhoff stwierdził, że niektóre obiekty absorbują, a następnie emitują całą energię, która je uderza. Nazwał to zjawisko promieniowaniem ciała czarnego. Kirchhoff i Robert Bunsen badali widmo słońca i opublikowali w 1861 roku artykuł, w którym zidentyfikowali pierwiastki chemiczne w atmosferze Słońca i widma tych pierwiastków. Kirchhoff został odznaczony Rumford Medal za swoje badania na ten temat w 1862 roku.

w 1900 roku Max Planck przeprowadził dokładne badania promieniowania ciała czarnego i doszedł do wniosku, że ilość wypromieniowanej energii jest proporcjonalna do częstotliwości fal elektromagnetycznych, które czarne ciało pochłania. Ta emisja energii była w postaci małych, dyskretnych pakietów energii, które nazwał „kwanta” (kwant jest formą liczby pojedynczej, z łaciny „ile, ile”). Kwanty te mogły uzyskać tylko określone wartości dyskretne w wielokrotnościach stałej. Dziś pojęcie to znane jest jako stała Plancka.

w 1901 roku Planck wykazał, że przy założeniu, że energia promieniowania składa się z Całkowej liczby „pierwiastków energetycznych.”Element energetyczny E musi być proporcjonalny do częstotliwości f, tak więc:

E = h · f

gdzie:

e = element energetyczny

h = stała Plancka (6.626 10ˉ3 J J s)

F = częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego

te wartości są kwantyzowane, a to demonstracja była pierwszym kluczowym krokiem w rozwoju fizyki kwantowej, która bada naturę minutowych cząstek elementarnych. Po raz pierwszy ktoś zauważył skwantowaną energię.

jednak Planck nie wierzył, że promieniowanie rozpada się na małe kawałki, jak pokazała jego analiza matematyczna. Uważał E = h * f za matematyczną sztuczkę lub wygodę, która dała mu właściwe odpowiedzi, aby rozwiązać problem techniczny z czarnymi ciałami i nigdy nie wydawał się głęboko myśleć o jego fizycznym znaczeniu. Własnymi słowami:

„jeśli kwant działania był ilością fikcyjną, to cała dedukcja prawa promieniowania była w głównej iluzoryczności i stanowiła nic innego jak pustą, nieistotną grę na wzorach.”

Hertz i Hallwachs pracują nad zrozumieniem efektu fotoelektrycznego

efekt fotoelektryczny był badany od wielu lat i nie jest jeszcze w pełni zrozumiany.

w 1887 roku Heinrich Hertz zaprojektował eksperymenty z generatorem iskrownika, aby przetestować hipotezę Maxwella. Eksperymenty te przyniosły pierwszą transmisję i odbiór fal elektromagnetycznych.

iskry generowane pomiędzy dwoma małymi metalowymi kulkami w nadajniku indukowały iskry, które skakały między dwoma polerowanymi mosiężnymi gałkami w miedzianej pętli, która pracowała jako odbiornik. Pomiędzy tymi dwoma elektrodami skoczyła maleńka Iskra. Hertz zauważył, że może sprawić, że iskra odbiornika będzie bardziej energiczna, oświetlając elektrody światłem ultrafioletowym. Nie stworzył żadnej teorii, która mogłaby wyjaśnić obserwowane zjawisko, ale była to pierwsza obserwacja efektu fotoelektrycznego.

rok później Wilhelm Hallwachs potwierdził te wyniki i wykazał, że światło ultrafioletowe świecące na ewakuowanej żarówce kwarcowej z dwiema płytkami cynkowymi jako elektrodami i połączone z baterią generowało prąd spowodowany emisją elektronów lub prądem fotoelektrycznym.

Stoletow i efekt fotograficzny

w latach 1888-1891 rosyjski fizyk Aleksander Stoletow przeprowadził analizę efektu fotograficznego. Odkrył bezpośrednią proporcjonalność między natężeniem światła a indukowanym prądem fotoelektrycznym. Dziś jest to znane jako prawo Stoletowa.

odkrycie elektronów

w 1897 JJ Thomson odkrył elektrony, które nazwał „corpuscles.”Następnie zaproponował model struktury atomu, popularnie znany jako” model puddingu śliwkowego”, ponieważ była to jednolita sfera pozytywnie naładowanej materii z osadzonymi elektronami. W 1899 roku wykazał, że zwiększona czułość w eksperymentach Hertza była wynikiem przepychania światła na ciałka. Thomson uznał, że promieniowanie UV powoduje emisję elektronów, tych samych cząstek, które występują w promieniach katodowych.

w 1911 roku student JJ Thomson Rutherford zaproponował model, który opisał atom jako dodatnio naładowane jądro (jądro) skupiające prawie całą masę i wokół którego elektrony (ładunki ujemne) krążą w pewnej odległości, jak w układzie planetarnym.

w 1899 roku Philipp Lenard wykazał, że napromieniowanie metali światłem ultrafioletowym może powodować emisję ujemnych ładunków lub fotoelektronów. Odkrył, że energia kinetyczna emitowanych fotoelektronów jest niezależna od natężenia światła o tej samej częstotliwości. Jednak, zgodnie z prawem zachowania energii, więcej fotoelektronów zostało wyrzuconych przez jasne źródło niż słabe źródło.

Jak Einstein połączył korpusy Newtona i elementy energetyczne Plancka

Albert Einstein próbował wyjaśnić efekt fotoelektryczny, wskrzeszając ideę lekkich korpusów propagowaną przez Isaaca Newtona. Również w 1905 roku był pierwszym naukowcem, który poważnie potraktował elementy energetyczne Plancka, proponując, że światło wchodzi w wiązki energii. W belce znajdują się wiązki ” kwanty.”Nie powiedział, że światło jest” cząstką.”Według Einsteina energia” kwantu światła”eᵧ wynosi:

eᵧ = h · f

Gdzie, jak poprzednio:

h = stała Plancka (6.626 10ˉ3 J J s)

F = częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego

Einstein uznał, że model Plancka jest rzeczywisty. To, co postrzegamy jako ciągłą falę promieniowania elektromagnetycznego, to strumień dyskretnych kwantów. Ten zasadniczy wzór dla fizyki kwantowej jest również znany jako relacja Plancka-Einsteina, dając uznanie również pracy Plancka.

przewidywania Einsteina były:

Eē = ½ · m · v2 = eᵧ – w = h · f – W

gdzie:

Eē = energia elektronu

v = prędkość elektronu

m = masa elektronu

eē = energia kwantu światła

W = funkcja pracy (stała zależna od metalu)

/ p>

funkcja robocza w jest energią potrzebną do uwolnienia elektronu z określonego metalu (pewnego rodzaju Energia uwolnienia). Zależy to od metalu, jego struktury krystalicznej i od tego, jak wypolerowana jest powierzchnia.

Einstein stwierdził, że gdy kwant światła dostarcza energię eᵧ do metalu, część z nich przechodzi do funkcji roboczej, a reszta do elektronów Jako energii kinetycznej. Metale uwalniają elektrony z zerową prędkością, jeśli dostarczana energia jest dokładnie jego funkcją roboczą. Możemy również sądzić z tego równania, że nie wszystkie częstotliwości światła uwolnią elektrony na danym metalu.

dane eksperymentalne były w tym czasie niedokładne i to właśnie po dziesięciu latach pomiarów energii fotoelektronów, w 1916 roku Robert Andrews Millikan zweryfikował hipotezę Einsteina.

Einstein zaproponował również, że kwanty mają pęd. W 1917 roku rozwinął swoją teorię, przypisując P = Eᵧ / c = h * f/c = h/λ kwantowi światła. Dopiero wtedy miała ona właściwości prawdziwej cząstki. Potwierdził, że światło zachowuje się jak fale i jak cząstki.

w 1921 roku Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za „swoje usługi dla fizyki teoretycznej, a zwłaszcza za odkrycie prawa efektu fotoelektrycznego.”Otrzymał ją rok później, w 1922 roku.

w 1923 roku Compton potwierdził eksperymentalnie założenia dotyczące energii kwantowej i pędu światła, wykorzystując swój eksperyment rozpraszania i bombardowania elektronów kwantami promieniowania rentgenowskiego.

odkrycie fotonów Gilberta Lewisa

chociaż można usłyszeć i zrozumieć termin kwant światła, zwyczajowo mówi się i pisze o fotonach. W 1926 roku Gilbert Lewis, chemik fizyczny, zaproponował, aby zamiast kwantu światła rozważyć nowy rodzaj atomu-co nazwał fotonem-jako nośnik światła.

jednak Foton Lewisa był koncepcją odbiegającą od propozycji Einsteina. Historia jest zbyt długa, aby ją tu opisać, ale od końca lat 20. XX wieku fizycy uważali termin Foton za odpowiedni synonim kwantu światła, który Einstein wprowadził w 1905 roku.

efekt fotoelektryczny występuje, gdy światło świeci na metalu. Zdjęcie dzięki uprzejmości Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Rysunek 5. Efekt fotoelektryczny występuje, gdy światło świeci na metalu. Zdjęcie dzięki uprzejmości Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

przegląd: właściwości efektu fotoelektrycznego

następujące właściwości podsumowują eksperymentalne obserwacje efektu fotoelektrycznego:

• polerowane metalowe płytki napromieniowane światłem mogą emitować elektrony, zwane fotoelektronami, tworząc prąd fotoelektryczny.
• dla danego materiału światłoczułego istnieje krytyczna częstotliwość światła, poniżej której nic się nie dzieje. Wraz ze wzrostem częstotliwości proces zaczyna działać, uwalniając fotoelektrony. Ta wielkość jest częstotliwością progową fₒ, i jest prąd tylko dla F > fₒ, bez względu na to, jak wysoka może być intensywność. fₒ zależy od metalu, jego stanu powierzchni (tj. od tego, jak jest wypolerowany) oraz od wolnych elektronów w strukturze krystalicznej metalu.
• wielkość prądu jest wprost proporcjonalna do natężenia światła, pod warunkiem, że f> fₒ.
• kluczową właściwością jest to, że energia fotoelektronów jest niezależna od natężenia światła.
• energia fotoelektronów liniowo wzrasta wraz z częstotliwością światła. Ta właściwość efektu fotoelektrycznego nie jest łatwa do zrozumienia, biorąc pod uwagę światło jako falę. Einstein wymyślił odpowiedź: światło przychodzi w wiązkach energii.

ważne jest, aby zrozumieć naturę światła, a także zjawisko, dzięki któremu światło może wytwarzać energię elektryczną, aby lepiej zrozumieć, jak działają ogniwa słoneczne.

światło zachowuje się jak fale i cząstki. Światło świeciło na metal wydala elektrony z jego powierzchni. Zjawiskiem tym jest efekt fotoelektryczny, a elektrony nazywane są fotoelektronami. Eksperymenty wskazują, że poprzez zwiększenie częstotliwości światła wzrasta energia kinetyczna fotoelektronów, a poprzez intensyfikację światła zwiększa się prąd.