Tyrinėjimas

Saulės energijos konversijos fizika

Šviesa, absorbcija ir fotono energija
Saulės energijos konvertavimas prasideda tada, kai saulės šviesos fotonai pasiekia fotovoltinio elemento paviršių. Saulės šviesa – tai elektromagnetinių bangų mišinys, apimantis ultravioletinius, matomus ir infraraudonuosius bangos ilgius. Kiekvienas fotonas neša atskirą energijos paketą, kuris priklauso nuo jo bangos ilgio: trumpesni bangos ilgiai (mėlyna šviesa) turi daugiau energijos nei ilgesni bangos ilgiai (raudona šviesa).

^{2 pav.. Saulės spektrinis švitinimas (ASTM G173-03 etaloninis spektras), rodantis fotonų energijos pasiskirstymą pagal bangos ilgius. Silicio saulės elementai, kurių draudžiamoji juosta yra ~1,1 eV (atitinka ~1100 nm bangos ilgį), gali konvertuoti tik matomos ir artimos infraraudonosios srities fotonus. (Šaltinis: NREL)}

Kai fotonas patenka į puslaidininkinę medžiagą, tokią kaip silicis, jis gali būti absorbuojamas, atspindimas arba perduodamas toliau.

Absorbcija yra esminė: jei fotono energija yra lygi arba didesnė už medžiagos draudžiamosios juostos energiją (minimali energija, reikalinga laisvam elektronui išlaisvinti iš atominio ryšio), elektronas yra perkeliamas iš valentinės juostos į laidumo juostą.

^{3 pav.. Energijos juostų struktūrų palyginimas metaluose, puslaidininkiuose ir izoliatoriuose. Puslaidininkiuose, tokiuose kaip silicis, draudžiamoji juosta (Eg ≈ 1,1 eV) yra pakankamai maža, kad fotonai galėtų sužadinti elektronus iš valentinės juostos (raudona) į laidumo juostą (mėlyna), leidžiant fotovoltinę energijos konversiją. (Šaltinis: Wikimedia Commons, viešasis domenas)}

Taip susidaro elektrono-skylių pora – judrus neigiamas krūvis (elektronas) ir atitinkama teigiama tuštuma (skylė).