A History of the Photoelect and Its Role in Solar PV

Solar cells are fueled by the light of the sun. Sabendo isto, a primeira pergunta que devemos fazer é: “o que é a luz?”seguido de perto por” como é possível converter a luz em eletricidade?”Estas perguntas não são facilmente respondidas.compreender a natureza da luz tem sido uma tarefa desafiadora para os séculos de filósofos e cientistas que trabalham neste assunto. A óptica é uma das disciplinas mais antigas estudadas pelos homens, e o processo de conversão da luz em eletricidade começou a partir da observação casual.longe de ser um estudo formal da física quântica, este artigo tem como objetivo ensinar descobertas chave de alguns cientistas e filósofos que dedicaram seu trabalho ao estudo da luz e suas aplicações. Ele estabelece as bases para entender como as células solares podem converter a luz em corrente elétrica.Nota: os sistemas unitários utilizados neste artigo são o Sistema Internacional de Unidades (SI) e as unidades aceites para utilização com o SI.a pesquisa sobre a natureza da luz é conhecida por começar na Grécia antiga, onde filósofos como Platão, Sócrates, Aristóteles, Pitágoras e Euclides (óptica) deram opiniões sobre o assunto. Durante os tempos medievais no mundo islâmico, cientistas como Abu Ali Mohammed Ibn al Hasn Ibn Al Haytham, conhecido agora como Alhazen, trabalharam em teorias de luz e visão.de 1600 até a década de 1930, muitos cientistas famosos também deram passos significativos para a nossa compreensão do que é a luz e como ela funciona. Em 1672, Isaac Newton afirmou que partículas, não ondas, fazem luz (teoria corpuscular). Christiaan Huygens, Thomas Young, e Augustin-Jean Fresnel acreditavam que a luz era uma onda. James Clerk Maxwell teoricamente previu a existência de ondas eletromagnéticas. Max Planck pensava que os corpos negros emitiam energia em pacotes discretos, e Albert Einstein alegou que a luz vinha em pacotes de energia.em 1678, Christiaan Huygens desenvolveu uma técnica útil para definir como e onde as ondas de luz se propagam. O princípio da luz de Huygens passando por uma fenda ajudou a provar que a luz é uma onda. No entanto, por essa altura, este princípio não era considerado prova suficiente para mostrar que a luz era uma onda, principalmente devido ao desacordo de Isaac Newton e à sua reputação entre a sociedade científica.em 1801, Thomas Young fez seu experimento de interferência de fenda dupla. Este experimento mostrou que as ondas de luz que passam por duas fendas se sobrepõem (adicionar ou cancelar uma à outra) e formam um padrão de interferência. Ondas de água, ondas sonoras e ondas de todos os tipos diferentes mostram este mesmo fenômeno de interferência. Os resultados desta experiência provaram o caráter de onda da luz.em 1865, James Clerk Maxwell mostrou em sua publicação Uma Teoria dinâmica do campo eletromagnético que um feixe de luz é uma onda itinerante de campos elétricos e magnéticos, ou seja, uma onda eletromagnética. Comparando a velocidade das ondas com a velocidade da luz, medida por Fizeau e Foucault, concluiu:

“O acordo de resultados parece mostrar que a luz e o magnetismo são afetos da mesma substância e que a luz é uma perturbação eletromagnética propagada através do campo, de acordo com eletromagnética leis.”

A teoria da onda de Huygens para a luz foi matematicamente menos complicada do que a teoria eletromagnética de Maxwell.a cor da luz depende do comprimento de onda, entendendo a luz como uma onda eletromagnética. Em uma onda periódica, comprimento de onda (λ) é a distância entre a crista e a crista ou de vale a vale na forma da onda. As unidades habituais de comprimento de onda São metros, centímetros, milímetros e nanómetros.

no espectro visível, violeta tem o menor comprimento de onda e vermelho tem o maior. O comprimento de onda da radiação ultravioleta (UV) é menor do que a da luz violeta. Da mesma forma, o comprimento de onda da radiação infravermelha é mais longo do que o comprimento de onda da luz vermelha.

Figura 1. O espectro visível é a porção do espectro eletromagnético visível para o olho humano. Imagem cortesia da Universidade Estadual de Michigan.

frequência de onda f é o número de ondas que passam por um ponto fixo por unidade de tempo, medido em Hertz (Hz). Um Hertz equivale a uma onda a passar um ponto fixo num segundo. Ainda em uso é o antigo termo ciclos por segundo.

O período T = 1 / f é o tempo que leva uma onda periódica para passar por um ciclo completo de seu movimento. A unidade SI é a (s) segunda (s).

é essencial salientar que, antes de conectar os conceitos de comprimento de onda, frequência e período, A luz é uma onda itinerante. Uma viagem de onda se move em uma direção e percorre uma distância de um comprimento de onda λ em um tempo igual a um período de T. Se ele viaja, ele tem uma velocidade v. a Essa velocidade, relaciona-se com frequência e comprimento de onda através da expressão v = λ/T = λ · f.

O aceite velocidade da luz é 299,792,458 m/s, arredondado para 2.998 x 10⁸, e expressa como c. Cada vez que a conversão de comprimento de onda de freqüência (ou vice-versa) é necessária, a expressão c = λ · f é usado.

Figura 2. Um diagrama de ondas eletromagnéticas. Imagem cortesia do Serviço Nacional de Meteorologia.

o espectro eletromagnético é separado por ordem de aumento do comprimento de onda nas seguintes regiões: raios gama, raios-x, ultravioleta, luz visível, infravermelho, microondas e ondas de rádio. A energia eletromagnética do sol consiste principalmente de comprimentos de onda visíveis e infravermelhos, com pequenas quantidades de radiação ultravioleta, microondas e ondas de rádio.

Figura 3.Cores visíveis da luz e comprimentos de onda.

A luz visível cores e comprimentos de onda são:

• Violeta (400-450g nm)
• Indigo (420-450 nm)
• Azul (450-495 nm)
• Verde (495-570 nm)
• Amarelo (570-590 nm)
• Laranja (590-620 nm)
• Vermelho (620-750 nm)

O olho humano percebe essa mistura de cores como o branco, com comprimentos de onda de 400 nm a 750 nm. A luz branca consiste em componentes de praticamente todas as cores do espectro visível com intensidades aproximadamente uniformes. Quando passa por um prisma, a luz branca é difratada em todas as cores.

Figura 4. A luz branca é uma mistura de todas as cores da luz.

Newton foi o primeiro a ter sucesso na separação da luz branca em seus componentes coloridos.

radiação do corpo negro e constante de Planck

em 1860, Gustav Kirchhoff afirmou que alguns objetos absorvem e, em seguida, emitem toda a energia que os atingiu. Ele chamou a esta ocorrência de radiação de corpo negro. Kirchhoff and Robert Bunsen researched the solar spectrum and published a paper in 1861, where they identified the chemical elements in the sun’s atmosphere and the spectra of those elements. Kirchhoff foi premiado com a Medalha Rumford por sua pesquisa sobre este tema em 1862.em 1900, Max Planck fez um estudo completo da radiação do corpo negro e concluiu que a quantidade de energia irradiada era proporcional à frequência das ondas eletromagnéticas que o corpo negro absorvia. Esta emissão de energia foi na forma de pequenos pacotes discretos de energia que ele chamou de ” quanta “(quantum é a forma singular, do latim para”quanto, quantos”). Estes quanta só podiam adquirir valores específicos discretos em múltiplos de uma constante. Hoje, este conceito é conhecido como a constante de Planck.em 1901, Planck mostrou que supondo que a energia radiante consiste de um número integral de “elementos de energia”.”A energia do elemento E deve ser proporcional à freqüência f, assim:

E = h · f

em que:

E = energia do elemento

h = constante de Planck (6.626 10ˉ3⁴ J s)

f = freqüência da radiação eletromagnética

Estes valores são disse a ser quantizada, e esta demonstração foi o primeiro passo crucial no desenvolvimento da física quântica, que estuda a natureza de minutos de partículas elementares. Foi a primeira vez que alguém notou a quantidade de energia.no entanto, Planck não acreditava que a radiação fosse dividida em pequenos bits, como sua análise matemática mostrou. Ele considerou E = h · f para ser um truque matemático ou de conveniência, que lhe deu o direito de respostas para resolver um problema técnico com corpos negros, e nunca parece ter pensado profundamente sobre o seu significado físico. Nas suas próprias palavras:

“se o quantum de ação era uma quantidade ficcional, então toda a dedução da lei de radiação estava na ilusória principal e representava nada mais do que um jogo vazio não significativo sobre fórmulas.”

Hertz e Hallwachs Trabalhar para Entender o Efeito Fotoelétrico

O efeito fotoelétrico tem sido estudado por muitos anos, e ainda não é totalmente compreendido.em 1887, Heinrich Hertz projetou alguns experimentos com um gerador de faíscas para testar a hipótese de Maxwell. Estes experimentos produziram a primeira transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas.faíscas geradas entre duas pequenas esferas de metal num transmissor induziram faíscas que saltaram entre duas maçanetas de latão polidas num circuito de fio de cobre que funcionava como receptor. Uma pequena faísca saltou entre estes dois eléctrodos. Hertz percebeu que ele poderia fazer o receptor brilhar mais vigoroso iluminando os eletrodos com luz ultravioleta. Ele não criou nenhuma teoria que pudesse explicar o fenômeno observado, mas esta foi a primeira observação do efeito fotoelétrico.um ano depois, Wilhelm Hallwachs confirmou estes resultados e mostrou que a luz ultravioleta brilhando em uma ampola de quartzo evacuada com duas placas de zinco como eletrodos e conectada a uma bateria gerou uma corrente devido à emissão de elétrons, ou corrente fotoelétrica.Stoletov and the Photo Effect From 1888 to 1891, Russian physicist Alexander Stoletov performed an analysis of the photo effect. Ele descobriu a proporcionalidade direta entre a intensidade da luz e a corrente fotoelétrica induzida. Hoje, isto é conhecido como Lei de Stoletov.

the Discovery of Electrons

In 1897 JJ Thomson discovered electrons, which he called ” corpuscles. Ele então passou a propor um modelo para a estrutura do átomo, popularmente conhecido como o “modelo pudim de ameixa” porque era uma esfera uniforme de matéria positivamente carregada com elétrons embutidos. Em 1899, ele mostrou que o aumento da sensibilidade nas experiências de Hertz foi o resultado de luz empurrando os corpúsculos. Thomson reconheceu que o UV causou a emissão de elétrons, as mesmas partículas encontradas nos raios catódicos.

em 1911, o estudante de JJ Thomson Rutherford propôs um modelo que descreve o átomo como um núcleo positivamente carregado (núcleo) concentrando quase toda a massa e em torno do qual os elétrons (cargas negativas) circulam a alguma distância, como um sistema planetário.em 1899, Philipp Lenard demonstrou que a irradiação de Metais com luz ultravioleta pode produzir emissões de cargas negativas ou fotoelectrões. He found that the kinetic energy of the emitted photoelectrons was independent of the intensity of light of the same frequency. No entanto, de acordo com a lei de conservação de energia, mais fotoeletrons foram ejetados por uma fonte brilhante do que por uma fonte fraca.

como Einstein combinou os corpúsculos de Newton e os elementos de energia de Planck

Albert Einstein tentou explicar o efeito fotoelétrico ressuscitando a ideia de corpúsculos de luz defendida por Isaac Newton. Além disso, em 1905, ele foi o primeiro cientista a levar a sério os elementos energéticos de Planck, propondo que a luz vem em pacotes de energia. Em uma viga, há pacotes de “quanta”. Ele não disse que a luz é uma partícula.”De acordo com Einstein, um “quantum de luz” energia Eᵧ é:

Eᵧ = h · f

onde, como antes:

h = constante de Planck (6.626 10ˉ3⁴ J s)

f = freqüência da radiação eletromagnética

Einstein reconheceu que Planck modelo foi real. O que percebemos como uma onda contínua de radiação eletromagnética é uma corrente de quanta discreta. Esta fórmula essencial para a física quântica também é conhecida como a relação Planck-Einstein, dando crédito ao trabalho de Planck também.a previsão de Einstein foi::

Eē = ½ · m · v2 = Eᵧ – W = h · f – W

, onde:

Eē = energia do elétron

v = velocidade do elétron

m = massa do elétron

Eᵧ = energia da luz quântica

W = função de trabalho (constante dependente do metal)

A função de trabalho W é a energia necessária para liberar um elétron de um determinado metal (algum tipo de liberação de energia). Depende do metal, da sua estrutura cristalina e da forma como a superfície é polida.Einstein afirmou que quando um quântico leve fornece energia Eᵧ para o metal, alguns vão para a função de trabalho e o resto vai para os elétrons como energia cinética. Metais liberam elétrons com velocidade zero se a energia fornecida é precisamente a sua função de trabalho. Podemos também julgar a partir desta equação que nem todas as frequências de luz libertarão elétrons em um metal particular.

os dados experimentais eram imprecisos naquela época, e foi após dez anos de medições da energia dos fotoelétrons que, em 1916, Robert Andrews Millikan verificou a conjectura de Einstein.

Einstein also proposed that quanta have momentum. In 1917, he developed his theory by assigning a momentum of p = Eᵧ/C = h · f/C = h / λ to the light quantum. Só então tinha as propriedades de uma partícula real. Ele confirmou que a luz se comporta como ondas e como partículas.recebeu o Nobel de física de 1921 por “seus serviços à Física Teórica, e especialmente por sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico”.”Ele recebeu – o um ano depois, em 1922.em 1923, Compton validou as suposições sobre a energia quântica e momento da luz experimentalmente, empregando seu experimento de dispersão, e bombardeando elétrons com quanta de raios-X.

Gilbert Lewis’ Discovery of Photons

Although one can hear and understand the term light quantum, it is usuary to speak and write about photons. Em 1926, Gilbert Lewis, um físico-químico, propôs que ao invés do quântico de luz, se deve considerar um novo tipo de átomo — o que ele chamou de fóton — como o portador da luz.

no entanto, o fóton de Lewis foi um conceito que divergiu das propostas de Einstein. A história é muito longa para descrever aqui, mas a partir do final da década de 1920, os físicos consideraram o termo fóton como um sinônimo adequado para o quântico de luz que Einstein introduziu em 1905.o efeito fotoelétrico ocorre quando a luz brilha sobre um metal. Image courtesy of Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Figure 5. O efeito fotoelétrico ocorre quando a luz brilha sobre um metal. Imagem cortesia de Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Revisão: Propriedades do Efeito Fotoelétrico

As seguintes propriedades resumir as observações experimentais sobre o efeito fotoelétrico:

• metal Polido, placas irradiadas com luz pode emitir elétrons, chamado photoelectrons, criando um fotoelétrico atual.para um determinado material fotossensível, existe uma frequência crítica da luz abaixo da qual nada acontece. À medida que a frequência aumenta, o processo começa a funcionar, liberando fotoeletrons. Esta magnitude é a frequência limiar fₒ, e há uma corrente apenas para f > fₒ, não importa quão alta a intensidade possa ser. fₒ depende do metal, sua condição superficial (ou seja, quão polida é), e dos elétrons livres na estrutura cristalina do metal.
• A magnitude da corrente é diretamente proporcional à intensidade da luz, desde que f > fₒ.uma propriedade crucial é que a energia dos fotoeletrons é independente da intensidade da luz.a energia dos fotoelétrons aumenta linearmente com a frequência da luz. Esta propriedade do efeito fotoelétrico não é fácil de entender, considerando a luz como uma onda. Einstein veio com uma resposta: a luz vem em pacotes de energia.é importante compreender a natureza da luz, bem como o fenômeno através do qual a luz pode produzir energia elétrica para ajudar a entender melhor como as células solares funcionam.

  A Luz comporta-se como ondas e partículas. A luz brilhava sobre o metal expulse electrões da sua superfície. Este fenômeno é o efeito fotoelétrico, e os elétrons são chamados fotoeletrons. Experimentos indicam que ao aumentar a frequência de luz, a energia cinética dos fotoeletrons aumenta, e ao intensificar a luz, a corrente aumenta.