o istorie a efectului fotoelectric și rolul său în fotovoltaice solare
celulele solare sunt alimentate de lumina soarelui. Știind acest lucru, prima întrebare pe care ar trebui să o punem este „ce este lumina?”urmat îndeaproape de” cum este posibilă transformarea luminii în electricitate?”Acestea nu sunt întrebări ușor de răspuns.înțelegerea naturii luminii a fost o sarcină dificilă pentru secolele de filozofi și oameni de știință care au lucrat la acest subiect. Optica este una dintre cele mai vechi discipline studiate de bărbați, iar procesul de transformare a luminii în electricitate a început de la observarea ocazională.departe de a fi un studiu formal al fizicii cuantice, acest articol își propune să învețe descoperiri cheie de la unii dintre oamenii de știință și filozofi care și-au dedicat munca studiului luminii și aplicațiilor sale. Acesta pune bazele înțelegerii modului în care celulele solare pot transforma lumina în curent electric.
notă: sistemele de unități utilizate în acest articol sunt Sistemul Internațional de unități (SI) și unitățile acceptate pentru utilizare cu SI.
începuturile înțelegerii luminii
cercetările asupra naturii luminii sunt cunoscute pentru a începe în Grecia antică, unde filozofi precum Platon, Socrate, Aristotel, Pitagora și Euclid (optica) au dat opinii în această privință. În perioada medievală din lumea islamică, oameni de știință precum Abu Ali Mohammed Ibn al Hasn Ibn al Haytham, cunoscut acum sub numele de Alhazen, a lucrat la teorii ale luminii și viziunii.
Din anii 1600 până în anii 1930, mulți oameni de știință celebri au făcut, de asemenea, pași semnificativi spre înțelegerea noastră a ceea ce este lumina și cum funcționează. În 1672, Isaac Newton a declarat că particulele, nu undele, fac lumină (teoria corpusculară). Christiaan Huygens, Thomas Young și Augustin-Jean Fresnel credeau că lumina era un val. James Clerk Maxwell a prezis teoretic existența undelor electromagnetice. Max Planck a crezut că corpurile negre emit energie în pachete discrete, iar Albert Einstein a susținut că lumina vine în pachete de energie.
demonstrând că lumina se mișcă în unde
în 1678, Christiaan Huygens a dezvoltat o tehnică utilă pentru a defini cum și unde se propagă undele luminoase. Principiul lui Huygens de a trece lumina printr-o fantă a ajutat la dovedirea faptului că lumina este o undă. Cu toate acestea, până atunci, acest principiu nu era considerat o dovadă suficientă pentru a arăta că lumina era un val, în principal datorită dezacordului lui Isaac Newton și reputației sale în rândul societății științifice.
în 1801, Thomas Young a făcut experimentul său de interferență cu două fante. Acest experiment a arătat că undele de lumină care trec prin două fante se suprapun (se adaugă sau se anulează reciproc) și formează un model de interferență. Valurile de apă, undele sonore și valurile de toate tipurile diferite afișează același fenomen de interferență. Rezultatele acestui experiment au dovedit caracterul de undă al luminii.
în 1865 James Clerk Maxwell a arătat în publicația sa o teorie dinamică a câmpului Electromagnetic că un fascicul de lumină este un val călător de câmpuri electrice și magnetice, adică o undă electromagnetică. Comparând viteza undelor cu viteza luminii, măsurată de Fizeau și Foucault, a concluzionat el:
„acordul rezultatelor pare să arate că lumina și magnetismul sunt afecțiuni ale aceleiași substanțe și că lumina este o perturbare electromagnetică propagată prin câmp, conform legilor electromagnetice.”teoria undelor lui Huygens pentru lumină a fost matematic mai puțin complicată decât teoria electromagnetică a lui Maxwell.
calcularea lungimii de undă și a frecvenței luminii
culoarea luminii depinde de lungimea de undă, înțelegând lumina ca o undă electromagnetică. Într-o undă periodică, lungimea de undă (XV) este Distanța de la creastă la creastă sau de la jgheab la jgheab pe forma undei. Unitățile obișnuite de lungime de undă sunt metri, centimetri, milimetri și nanometri.
în spectrul vizibil, violetul are cea mai scurtă lungime de undă, iar roșul are cea mai lungă. Lungimea de undă a radiațiilor ultraviolete (UV) este mai scurtă decât cea a luminii violete. La fel, lungimea de undă a radiației infraroșii este mai lungă decât lungimea de undă a luminii roșii.
Figura 1. Spectrul vizibil este porțiunea spectrului electromagnetic vizibilă ochiului uman. Pentru imagine, multumim Michigan State University.
frecvența de undă f este numărul de unde care trec un punct fix pe unitate de timp, măsurat în Hertz (Hz). Un Hertz este egal cu un val care trece un punct fix într-o secundă. Încă în uz este fostul termen cicluri pe secundă.
perioada T = 1 / f este timpul necesar unei unde periodice pentru a trece printr-un ciclu complet al mișcării sale. Unitatea SI este a doua (e).
este esențial să subliniem că, înainte de a conecta conceptele de lungime de undă, frecvență și Perioadă, lumina este o undă de călătorie. O undă de deplasare se deplasează într-o direcție și parcurge o distanță de o lungime de undă la un moment egal cu o perioadă T. Dacă se deplasează, are o viteză v. această viteză se referă la frecvență și lungime de undă prin expresia v = CT/T = CT · f.
viteza acceptată a luminii este de 299.792.458 m/s, rotunjită la 2.998 x 10 clan, și exprimată ca c. de fiecare dată când este necesară conversia lungimii de undă în frecvență (sau invers), se folosește expresia c = CT · F.
Figura 2. O diagramă a undelor electromagnetice. Pentru imagine, multumim National Weather Service.
spectrul electromagnetic este separat prin ordinea creșterii lungimii de undă în următoarele regiuni: raze gamma, raze X, ultraviolete, lumină vizibilă, infraroșu, microunde și unde radio. Energia electromagnetică de la soare constă în principal din lungimi de undă vizibile și infraroșii, cu cantități mici de radiații ultraviolete, microunde și unde radio.
Figura 3.Culori luminoase vizibile și lungimi de undă.
culorile luminoase vizibile și lungimile de undă sunt:
- Violet (400-450 nm)
- Indigo (420-450 nm)
- Albastru (450-495 nm)
- Verde (495-570 nm)
- Galben (570-590 nm)
- portocaliu (590-620 nm)
- roșu (620-750 Nm)
ochiul uman percepe acest amestec de culori ca alb, cu lungimi de undă de la 400 nm la 750 Nm. Lumina albă constă din componente din aproape toate culorile din spectrul vizibil cu intensități aproximativ uniforme. Când este trecută printr-o prismă, lumina albă este difractată în toate culorile.
Figura 4. Lumina albă este un amestec de toate culorile luminii.
Newton a fost primul care a reușit să separe lumina soarelui alb în componentele sale colorate.
radiația corpului negru și constanta lui Planck
în 1860, Gustav Kirchhoff a declarat că unele obiecte absorb și apoi emit toată energia care le-a lovit. El a numit această apariție radiația corpului negru. Kirchhoff și Robert Bunsen au cercetat spectrul solar și au publicat o lucrare în 1861, unde au identificat elementele chimice din atmosfera Soarelui și spectrele acestor elemente. Kirchhoff a primit Medalia Rumford pentru cercetările sale pe această temă în 1862.în 1900, Max Planck a făcut un studiu amănunțit al radiațiilor corpului negru și a concluzionat că cantitatea de energie radiată a fost proporțională cu frecvența undelor electromagnetice pe care corpul negru le-a absorbit. Această emisie de energie a fost sub forma unor pachete mici, discrete de energie pe care le-a numit „quanta” (cuantic este forma singulară, din latină pentru „cât, cât”). Aceste cuante ar putea dobândi valori discrete specifice numai în multipli ai unei constante. Astăzi, acest concept este cunoscut sub numele de Constanta Planck.
în 1901, Planck a arătat că asumarea energiei radiante constă dintr-un număr integral de „elemente energetice”.”Elementul energetic E trebuie sa fie proportional cu frecventa f, astfel:
E = h · f
unde:
e = elementul energetic
h = constanta lui Planck (6.626 10 inkt3 str J S)
f = frecventa radiatiei electromagnetice
se spune ca aceste valori sunt cuantificate, iar aceasta este o demonstrația a fost primul pas crucial în dezvoltarea fizicii cuantice, care studiază natura particulelor elementare minuscule. A fost prima dată când cineva a observat energia cuantificată.cu toate acestea, Planck nu credea că radiația a fost împărțită în bucăți mici, așa cum a arătat analiza sa matematică. El a considerat că E = h * f este un truc matematic sau o comoditate care i-a dat răspunsurile corecte pentru a rezolva o problemă tehnică cu corpurile negre și nu pare să se fi gândit niciodată profund la semnificația sa fizică. În propriile sale cuvinte:
„dacă cuantumul acțiunii era o cantitate fictivă, atunci întreaga deducere a legii radiațiilor era în principal iluzorie și nu reprezenta altceva decât un joc gol nesemnificativ asupra formulelor.”
Hertz și Hallwachs lucrează pentru a înțelege efectul fotoelectric
efectul fotoelectric a fost studiat de mulți ani și nu este încă pe deplin înțeles.
în 1887 Heinrich Hertz a proiectat câteva experimente cu un generator de scânteie pentru a testa ipoteza lui Maxwell. Aceste experimente au produs prima transmisie și recepție a undelor electromagnetice.
scânteile generate între două sfere metalice mici într-un emițător au indus scântei care au sărit între două butoane din alamă lustruită într-o buclă de sârmă de cupru care funcționa ca receptor. O mică scânteie a sărit între acești doi electrozi. Hertz a observat că ar putea face receptorul scânteie mai viguros prin iluminarea electrozilor cu lumină ultravioletă. El nu a creat nicio teorie care să explice fenomenul observat, dar aceasta a fost prima observație a efectului fotoelectric.un an mai târziu, Wilhelm Hallwachs a confirmat aceste rezultate și a arătat că lumina ultravioletă care strălucea pe un bec de cuarț evacuat cu două plăci de zinc ca electrozi și conectată la o baterie a generat un curent datorită emisiei de electroni sau a curentului fotoelectric.
Stoletov și efectul foto
din 1888 până în 1891, fizicianul rus Alexander Stoletov a efectuat o analiză a efectului foto. El a descoperit proporționalitatea directă dintre intensitatea luminii și curentul fotoelectric indus. Astăzi, aceasta este cunoscută sub numele de legea lui Stoletov.
descoperirea electronilor
în 1897 JJ Thomson a descoperit electroni, pe care i-a numit „corpusculi.”Apoi a continuat să propună un model pentru structura atomului, cunoscut popular sub numele de „model de budincă de prune”, deoarece era o sferă uniformă de materie încărcată pozitiv cu electroni încorporați. În 1899, el a arătat că sensibilitatea crescută în experimentele lui Hertz a fost rezultatul împingerii luminii asupra corpusculilor. Thomson a recunoscut că UV a provocat emisia de electroni, aceleași particule găsite în razele catodice.
în 1911, studentul lui JJ Thomson Rutherford a propus un model care descrie atomul ca un nucleu încărcat pozitiv (nucleu) care concentrează aproape toată masa și în jurul căruia electronii (sarcini negative) circulă la o anumită distanță, ca un sistem planetar.
în 1899, Philipp Lenard a arătat că iradierea metalelor cu lumină ultravioletă poate produce emisii de sarcini negative sau fotoelectroni. El a descoperit că energia cinetică a fotoelectronilor emiși era independentă de intensitatea luminii de aceeași frecvență. Cu toate acestea, în acord cu legea conservării energiei, mai mulți fotoelectroni au fost expulzați de o sursă strălucitoare decât de o sursă slabă.
cum a combinat Einstein corpusculii lui Newton și elementele energetice ale lui Planck
Albert Einstein a încercat să explice efectul fotoelectric prin reînvierea ideii de corpusculi de lumină susținută de Isaac Newton. De asemenea, în 1905, a fost primul om de știință care a luat în serios elementele energetice ale lui Planck, propunând că lumina vine în pachete de energie. Într-un fascicul, există mănunchiuri de „quanta.”El nu a spus că lumina este o „particulă”.”Potrivit lui Einstein, o energie” cuantică ușoară ” e de la un nivel la altul este:
e de la un nivel la altul
unde, ca și mai înainte:
h = constanta lui Planck (6.626 10 inkt3)
f = frecvența radiației electromagnetice
Einstein a recunoscut că modelul lui Planck era real. Ceea ce percepem ca un val continuu de radiații electromagnetice este un flux de cuante discrete. Această formulă esențială pentru fizica cuantică este, de asemenea, cunoscută sub numele de relația Planck-Einstein, dând credit și muncii lui Planck.
predicția lui Einstein a fost:
e hectar · M · v2 = E, W = H · f – W
unde:
E, V = Viteza electronului
m = masa electronului
E, W = funcția de lucru (constantă dependentă de metal)
funcția de lucru W este energia necesară pentru a elibera un electron dintr – un anumit metal (un fel de energie de eliberare). Depinde de metal, de structura sa cristalină și de cât de lustruită este suprafața.
Einstein a afirmat că atunci când o lumină cuantică furnizează energie E-X-X metalului, o parte din ea se duce la funcția de lucru, iar restul se duce la electroni ca energie cinetică. Metalele eliberează electroni cu viteză zero dacă energia furnizată este tocmai funcția sa de lucru. De asemenea, putem judeca din această ecuație că nu toate frecvențele luminii vor elibera electroni pe un anumit metal.
datele experimentale erau inexacte la acel moment și, după zece ani de măsurători ale energiei fotoelectronilor, în 1916, Robert Andrews Millikan a verificat presupunerea lui Einstein.
Einstein a propus, de asemenea, că cuantele au impuls. În 1917, el și-a dezvoltat teoria prin atribuirea unui impuls de P = E Octocus/c = h · f/c = h/hectic cuantului luminii. Abia atunci avea proprietățile unei particule reale. El a confirmat că lumina se comportă ca undele și ca particulele.în 1921, Einstein a primit Premiul Nobel pentru fizică pentru „serviciile sale aduse fizicii teoretice și mai ales pentru descoperirea legii efectului fotoelectric.”A primit-o un an mai târziu, în 1922.în 1923, Compton a validat ipotezele despre energia cuantică și impulsul luminii experimental, folosind experimentul său de împrăștiere și bombardând electronii cu cuante de raze X.
descoperirea fotonilor de către Gilbert Lewis
deși se poate auzi și înțelege termenul cuantic de lumină, se obișnuiește să se vorbească și să se scrie despre fotoni. În 1926, Gilbert Lewis, un chimist fizic, a propus ca, în locul cuantului luminii, să se ia în considerare un nou tip de atom — ceea ce el a numit foton — ca purtător al luminii.
cu toate acestea, fotonul lui Lewis a fost un concept care s-a abătut de la propunerile lui Einstein. Povestea este prea lungă pentru a fi descrisă aici, dar de la sfârșitul anilor 1920, fizicienii au considerat că termenul foton este un sinonim potrivit pentru cuantumul de lumină pe care Einstein l-a introdus în 1905.
efectul fotoelectric apare atunci când lumina strălucește pe un metal. Pentru imagine, multumim Feitscherg (CC BY-SA 3.0)
Figura 5. Efectul fotoelectric apare atunci când lumina strălucește pe un metal. Pentru imagine, multumim Feitscherg (CC BY-SA 3.0)
recenzie: proprietățile efectului fotoelectric
următoarele proprietăți rezumă observațiile experimentale asupra efectului fotoelectric:
- plăcile metalice lustruite iradiate cu lumină pot emite electroni, numiți fotoelectroni, creând un curent fotoelectric.
- pentru un material fotosensibil dat, există o frecvență critică a luminii sub care nu se întâmplă nimic. Pe măsură ce frecvența crește, procesul începe să funcționeze, eliberând fotoelectroni. Această mărime este pragul de frecvență fₒ, și există un curent numai pentru f > fₒ, indiferent de cât de mare intensitate poate fi. F XCT depinde de metal, de starea suprafeței sale (adică de cât de lustruit este) și de electronii liberi din structura cristalină a metalului.
- magnitudinea curentului este direct proporțională cu intensitatea luminii, cu condiția ca f> F de la ora actuală.
- o proprietate crucială este că energia fotoelectronilor este independentă de intensitatea luminii.
- energia fotoelectronilor crește liniar cu frecvența luminii. Această proprietate a efectului fotoelectric nu este ușor de înțeles, considerând lumina ca un val. Einstein a venit cu un răspuns: lumina vine în pachete de energie.este important să înțelegem natura luminii, precum și fenomenul prin care lumina poate produce energie electrică pentru a ajuta la o mai bună înțelegere a modului în care funcționează celulele solare.
lumina se comportă ca undele și particulele. Lumina strălucea pe metal expulzează electronii de pe suprafața sa. Acest fenomen este efectul fotoelectric, iar electronii se numesc fotoelectroni. Experimentele indică faptul că, prin creșterea frecvenței luminii, energia cinetică a fotoelectronilor crește, iar prin intensificarea luminii, curentul crește.