En historia av den fotoelektriska effekten och dess roll i solceller

solceller drivs av solens ljus. Att veta detta, den första frågan vi bör ställa är ” vad är ljus?”följt noga av” hur är det möjligt att omvandla ljus till El?”Dessa är inte lätt besvarade frågor.att förstå ljusets natur har varit en utmanande uppgift för århundraden av filosofer och forskare som arbetar med detta ämne. Optik är en av de äldsta disciplinerna som studerats av män, och processen att omvandla ljus till elektricitet startade från avslappnad observation.

långt ifrån att vara en formell studie av kvantfysik, syftar denna artikel till att lära ut viktiga upptäckter från några av de forskare och filosofer som ägnade sitt arbete till studier av ljus och dess tillämpningar. Det sätter grunden för att förstå hur solceller kan omvandla ljus till elektrisk ström.

Obs: de enhetssystem som används i denna artikel är det internationella systemet för enheter (SI) och enheter som accepteras för användning med SI.

början av att förstå ljus

forskning om ljusets natur är känd för att börja i antika Grekland, där filosofer som Platon, Sokrates, Aristoteles, Pythagoras och Euclid (Optik) gav åsikter om saken. Under medeltiden i den islamiska världen, forskare som Abu Ali Mohammed Ibn Al Hasn Ibn Al Haytham, känd nu som Alhazen, arbetade med teorier om ljus och vision.från 1600-talet till 1930-talet gjorde många kända forskare också betydande steg mot vår förståelse av vad ljus är och hur det fungerar. År 1672 uppgav Isaac Newton att partiklar, inte vågor, gör ljus (korpuskulär teori). Christiaan Huygens, Thomas Young och Augustin-Jean Fresnel trodde att ljuset var en våg. James Clerk Maxwell förutspådde teoretiskt förekomsten av elektromagnetiska vågor. Max Planck trodde att svarta kroppar emitterade energi i diskreta paket, och Albert Einstein påstod att ljus kom i buntar av energi.

bevisa ljus rör sig i vågor

1678 utvecklade Christiaan Huygens en användbar teknik för att definiera hur och var ljusvågor sprids. Huygens princip om ljus som passerar genom en slits hjälpte till att bevisa att ljus är en våg. Men vid den tiden ansågs denna princip inte vara tillräckligt bevis för att visa att ljuset var en våg, främst på grund av Isaac Newtons oenighet och hans rykte bland det vetenskapliga samhället.

1801 gjorde Thomas Young sitt dubbelslitsinterferensexperiment. Detta experiment visade att ljusvågor som passerar genom två slitsar överlappar varandra (lägger till eller avbryter varandra) och bildar ett interferensmönster. Vattenvågor, ljudvågor och vågor av alla olika typer visar samma störningsfenomen. Resultaten av detta experiment visade ljusets vågkaraktär.1865 visade James Clerk Maxwell i sin publikation en dynamisk teori om det elektromagnetiska fältet att en ljusstråle är en resande våg av elektriska och magnetiska fält, dvs en elektromagnetisk våg. Att jämföra vågornas hastighet med ljusets hastighet, mätt av Fizeau och Foucault, avslutade han:

”överenskommelsen med resultaten verkar visa att ljus och magnetism är känslor av samma ämne och att ljus är en elektromagnetisk störning som sprids genom fältet, enligt elektromagnetiska lagar.”Huygens vågteori för ljus var matematiskt mindre komplicerad än Maxwells elektromagnetiska teori.

beräkning av ljusvåglängd och frekvens

ljusets färg beror på våglängden och förstår ljuset som en elektromagnetisk våg. I en periodisk våg är våglängden (Xiaomi) avståndet från topp till topp eller från tråg till tråg på vågformen. De vanliga våglängdsenheterna är meter, centimeter, millimeter och nanometer.

i det synliga spektrumet har violett den kortaste våglängden och rött har den längsta. Våglängden för ultraviolett (UV) strålning är kortare än för violett ljus. På samma sätt är våglängden för infraröd strålning längre än våglängden för rött ljus.

Figur 1. Det synliga spektrumet är den del av det elektromagnetiska spektrumet som är synligt för det mänskliga ögat. Bild med tillstånd av Michigan State University.

vågfrekvens f är antalet vågor som passerar en fast punkt per tidsenhet, mätt i Hertz (Hz). En Hertz är lika med en våg som passerar en fast punkt på en sekund. Fortfarande i bruk är den tidigare termen cykler per sekund.

perioden T = 1 / f är den tid det tar en periodisk våg att gå igenom en komplett cykel av sin rörelse. SI-enheten är den andra (s).

det är viktigt att påpeka att innan du ansluter begreppen våglängd, frekvens och period är ljus en resande våg. En rörelsevåg rör sig i en riktning och färdas ett avstånd av en våglängd i en tid som är lika med en period T. om den färdas har den en hastighet v. denna hastighet hänför sig till frekvens och våglängd genom uttrycket v = GHz/T = ie · f.

den accepterade ljushastigheten är 299,792,458 m/s, avrundad till 2,998 x 10 Nm och uttryckt som c. varje gång omvandling av våglängd till frekvens (eller vice versa) krävs, används uttrycket C = ie · f.

Figur 2. Ett diagram över elektromagnetiska vågor. Bild med tillstånd av National Weather Service.

det elektromagnetiska spektrumet separeras genom ordning med ökande våglängd i följande regioner: gammastrålar, röntgenstrålar, ultraviolett, synligt ljus, infraröd, mikrovågor och radiovågor. Elektromagnetisk energi från solen består främst av synliga och infraröda våglängder, med små mängder ultraviolett, mikrovågsugn och radiovågsstrålning.

Figur 3.Synliga ljusa färger och våglängder.

de synliga ljusfärgerna och våglängderna är:

• Violett (400-450 nm)
• Indigo (420-450 nm)
• blå (450-495 nm)
• grön (495-570 nm)
• gul (570-590 nm)
• Orange (590-620 nm)
• röd (620-750 nm)

det mänskliga ögat uppfattar denna blandning av färger som vit, med våglängder från 400 Nm till 750 nm. Vitt ljus består av komponenter från praktiskt taget alla färger i det synliga spektrumet med ungefär likformiga intensiteter. När det passerar genom ett prisma diffrakteras vitt ljus i alla färger.

Figur 4. Vitt ljus är en blandning av alla ljusfärger.

Newton var den första som lyckades separera vitt solljus i sina färgade komponenter.

Svart kroppsstrålning och Plancks konstant

1860 uppgav Gustav Kirchhoff att vissa föremål absorberar och sedan avger all energi som träffar dem. Han kallade denna förekomst svart kroppsstrålning. Kirchhoff och Robert Bunsen undersökte solspektret och publicerade ett papper 1861, där de identifierade de kemiska elementen i solens atmosfär och spektra för dessa element. Kirchhoff tilldelades Rumford-medaljen för sin forskning om detta ämne 1862.

1900 gjorde Max Planck en grundlig studie av svart kroppsstrålning och drog slutsatsen att mängden energi som utstrålades var proportionell mot frekvensen för de elektromagnetiska vågorna som den svarta kroppen absorberade. Denna energiutsläpp var i form av små, diskreta energipaket som han kallade ”quanta” (quantum är singularformen, från Latin för ”hur mycket, hur många”). Dessa kvanta kunde bara förvärva specifika diskreta värden i multiplar av en konstant. Idag är detta koncept känt som Planck-konstanten.

1901 visade Planck att antagande av strålningsenergi består av ett integrerat antal ”energielement.”Energielementet E måste vara proportionellt mot frekvensen f, sålunda:

e = h · f

där:

e = energielement

h = Plancks konstant (6.626 10 occurb3si J s)

F = frekvensen för den elektromagnetiska strålningen

dessa värden sägs vara kvantiserade, och detta är en demonstration var det första avgörande steget i utvecklingen av kvantfysik, som studerar naturen hos små elementära partiklar. Det var första gången någon märkte energin kvantiserad.Planck trodde emellertid inte att strålningen var uppdelad i små bitar, vilket hans matematiska analys visade. Han ansåg att E = h * f var ett matematiskt trick eller bekvämlighet som gav honom rätt svar för att lösa ett tekniskt problem med svarta kroppar och verkar aldrig ha tänkt djupt på dess fysiska betydelse. Med sina egna ord:

” om åtgärdskvantitet var en fiktiv kvantitet, var hela avdraget av strålningslagen i huvudsak illusoriskt och representerade inget annat än ett tomt icke-signifikant spel på formler.”

Hertz och Hallwachs arbetar för att förstå den fotoelektriska effekten

den fotoelektriska effekten har studerats i många år och är ännu inte helt förstådd.1887 konstruerade Heinrich Hertz några experiment med en gnistgapgenerator för att testa Maxwells hypotes. Dessa experiment producerade den första överföringen och mottagningen av elektromagnetiska vågor.gnistor genererade mellan två små metallkulor i en sändarinducerad gnistor som hoppade mellan två polerade mässingsknappar i en koppartrådsslinga som fungerade som mottagare. En liten gnista hoppade mellan dessa två elektroder. Hertz märkte att han kunde göra mottagaren gnista mer kraftfull genom att belysa elektroderna med ultraviolett ljus. Han skapade ingen teori som kunde förklara det observerade fenomenet, men detta var den första observationen av den fotoelektriska effekten.ett år senare bekräftade Wilhelm Hallwachs dessa resultat och visade att ultraviolett ljus som skiner på en evakuerad kvartslampa med två zinkplattor som elektroder och ansluten till ett batteri genererade en ström på grund av elektronemission eller fotoelektrisk ström.

Stoletov och fotoeffekten

från 1888 till 1891 utförde den ryska fysikern Alexander Stoletov en analys av fotoeffekten. Han upptäckte den direkta proportionaliteten mellan ljusintensiteten och den inducerade fotoelektriska strömmen. Idag är detta känt som Stoletovs lag.

upptäckten av elektroner

1897 upptäckte JJ Thomson elektroner, som han kallade ”kroppar.”Han fortsatte sedan med att föreslå en modell för atomens struktur, populärt känd som ”plommonpuddingmodellen” eftersom det var en enhetlig sfär av positivt laddad materia med inbäddade elektroner. År 1899 visade han att den ökade känsligheten i Hertzs experiment var resultatet av lätt tryckning på kroppar. Thomson insåg att UV orsakade utsläpp av elektroner, samma partiklar som finns i katodstrålar.1911 föreslog JJ Thomsons student Rutherford en modell som beskrev atomen som en positivt laddad kärna (kärna) som koncentrerar nästan all massa och kring vilken elektronerna (negativa laddningar) cirkulerar på något avstånd, som ett planetsystem.1899 visade Philipp Lenard att bestrålning av metaller med ultraviolett ljus kan ge utsläpp av negativa laddningar eller fotoelektroner. Han fann att den kinetiska energin hos de emitterade fotoelektronerna var oberoende av ljusintensiteten med samma frekvens. Ändå, i överensstämmelse med lagen om bevarande av energi, utstöttes fler fotoelektroner av en ljus källa än en svag källa.

hur Einstein kombinerade Newtons kroppar och Plancks energielement

Albert Einstein försökte förklara den fotoelektriska effekten genom att återuppliva tanken på ljuskroppar som förespråkas av Isaac Newton. 1905 var han också den första forskaren som tog Plancks energielement på allvar och föreslog att ljus kommer i buntar av energi. I en stråle finns buntar av ” quanta.”Han sa inte att ljus är en” partikel.”Enligt Einstein, en” ljus quantum ”energi E-är:

E – = H · f

där, som tidigare:

h = Plancks konstant (6.626 10 occup3si J S)

F = frekvensen av elektromagnetisk strålning

Einstein insåg att Plancks modell var verklig. Vad vi uppfattar som en kontinuerlig våg av elektromagnetisk strålning är en ström av diskret kvanta. Denna väsentliga formel för kvantfysik är också känd som Planck-Einstein-relationen, vilket också ger kredit till Plancks arbete.

Einsteins förutsägelse var:

E 2B = ox · m · v2 = E 2B = W = H · F – W

där:

E 2B = energi av elektron

v = elektronhastighet

m = elektronmassa

E 2B = energi av ljuskvantum

W = arbetsfunktion (konstant beroende av metallen)

arbetsfunktionen W är den energi som behövs för att frigöra en elektron från en specifik metall (någon form av Frisättningsenergi). Det beror på metallen, dess kristallina struktur och hur polerad ytan är.

Einstein uppgav att när en lätt kvant levererar energi e Macau till metall, går en del av det till arbetsfunktionen och resten går till elektroner som kinetisk energi. Metaller släpper ut elektroner med nollhastighet om den tillförda energin är exakt dess arbetsfunktion. Vi kan också bedöma från denna ekvation att inte alla ljusfrekvenser kommer att släppa elektroner på en viss metall.

experimentdata var felaktiga vid den tiden, och det var efter tio års mätningar av fotoelektronernas energi som Robert Andrews Millikan 1916 verifierade Einsteins gissning.

Einstein föreslog också att kvanta har fart. År 1917 utvecklade han sin teori genom att tilldela en momentum av p = E 6c/c = h · f/c = h/6C till ljuskvantum. Först då hade den egenskaperna hos en riktig partikel. Han bekräftade att ljus beter sig som vågor och som partiklar.1921 tilldelades Einstein Nobelpriset i fysik för ”hans tjänster till teoretisk fysik, och särskilt för hans upptäckt av lagen om den fotoelektriska effekten.”Han fick det ett år senare, 1922.1923 validerade Compton antagandena om ljusets kvantenergi och momentum experimentellt och använde sitt spridningsexperiment och bombarderade elektroner med röntgenkvanta.

Gilbert Lewis upptäckt av fotoner

även om man kan höra och förstå termen ljuskvantum är det vanligt att tala och skriva om fotoner. År 1926 föreslog Gilbert Lewis, en fysisk kemist, att man istället för ljuskvantitet skulle överväga en ny typ av atom — vad han kallade en foton — som bärare av ljus.

Lewis’ photon var dock ett koncept som avviker från Einsteins förslag. Historien är för lång för att beskriva här, men från slutet av 1920-talet ansåg fysiker termen foton vara en lämplig synonym för den lätta kvant som Einstein introducerade 1905.

den fotoelektriska effekten uppstår när ljuset lyser på en metall. Bild med tillstånd av Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

Figur 5. Den fotoelektriska effekten uppstår när ljuset lyser på en metall. Bild med tillstånd av Feitscherg (CC BY-SA 3.0)

recension: egenskaper för den fotoelektriska effekten

följande egenskaper sammanfattar de experimentella observationerna på den fotoelektriska effekten:

• polerade metallplattor bestrålade med ljus kan avge elektroner, namngivna fotoelektroner, vilket skapar en fotoelektrisk ström.
• för ett givet ljuskänsligt material finns det en kritisk frekvens av ljuset under vilket ingenting händer. När frekvensen ökar börjar processen att fungera och släpper ut fotoelektroner. Denna storleksordning är tröskelfrekvensen f GHz, och det finns en ström endast för f > f Gbg, oavsett hur hög intensiteten kan vara. F. O.M. beror på metallen, dess ytförhållande (d. v. s. hur polerad den är) och på de fria elektronerna i metallens kristallina struktur.
• strömmen av strömmen är direkt proportionell mot ljusets intensitet, förutsatt att f > f XHamster.
• en avgörande egenskap är att fotoelektronernas energi är oberoende av ljusets intensitet.
• fotoelektronernas energi ökar linjärt med ljusets frekvens. Denna egenskap hos den fotoelektriska effekten är inte lätt att förstå, med tanke på ljus som en våg. Einstein kom med ett svar: ljus kommer i buntar av energi.

det är viktigt att förstå ljusets natur och fenomenet genom vilket ljus kan producera elektrisk energi för att bättre förstå hur solceller fungerar.

ljus beter sig som både vågor och partiklar. Ljus sken på metall utvisar elektroner från dess yta. Detta fenomen är den fotoelektriska effekten, och elektronerna kallas fotoelektroner. Experiment indikerar att genom att öka ljusfrekvensen ökar fotoelektronernas kinetiska energi, och genom att intensifiera ljuset ökar strömmen.