Фотоэлектрический эффект - Photovoltaic effect

В фотоэлектрический эффект это генерация напряжения и электрический ток в материале при воздействии свет. Это физический и химический явление.[1]

Фотоэлектрический эффект тесно связан с фотоэлектрический эффект. В любом случае свет поглощается, вызывая возбуждение электрон или другой носитель заряда в более высокоэнергетическое состояние. Главное отличие в том, что термин фотоэлектрический эффект теперь обычно используется, когда электрон выбрасывается из материала (обычно в вакуум) и фотоэлектрический эффект используется, когда возбужденный носитель заряда все еще содержится в материале. В любом случае электрический потенциал (или напряжение) создается разделением зарядов, и свет должен иметь достаточную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер для возбуждения. Физическая суть различия обычно состоит в том, что фотоэмиссия разделяет заряды на баллистическая проводимость и фотоэлектрическое излучение разделяет их за счет диффузии, но некоторые концепции фотоэлектрических устройств с «горячим носителем» стирают это различие.

Первая демонстрация фотоэлектрического эффекта Эдмон Беккерель в 1839 г. применил электрохимическую ячейку. Он объяснил свое открытие в Comptes rendus de l'Académie des Sciences, «производство электрического тока, когда две пластины из платины или золота, погруженные в кислотный, нейтральный или щелочной раствор, неравномерно подвергаются солнечному излучению».[2]

Первый солнечный элемент, состоящий из слоя селен покрытый тонкой пленкой золота, экспериментировал Чарльз Фриттс в 1884 году, но имел очень низкий КПД.[3] Однако наиболее известная форма фотоэлектрического эффекта использует твердотельные устройства, в основном в фотодиоды. Когда на фотодиод попадает солнечный свет или другой достаточно энергичный свет, электроны, присутствующие в валентная полоса поглощают энергию и, будучи возбужденными, прыгают в зону проводимости и становятся свободными. Эти возбужденные электроны диффундируют, и некоторые из них достигают выпрямительного перехода (обычно диодного p-n переход ), где они ускоряются в полупроводниковый материал p-типа за счет встроенного потенциала (Гальванический потенциал ). Это порождает электродвижущая сила и электрический ток, и, таким образом, часть световой энергии преобразуется в электрическую. Фотоэлектрический эффект также может возникать, когда два фотона поглощаются одновременно в процессе, называемом двухфотонный фотоэлектрический эффект.

Помимо прямого возбуждения свободных электронов, фотоэлектрический эффект может возникать просто из-за нагрева, вызванного поглощением света. Нагрев приводит к повышению температуры полупроводникового материала, что сопровождается температурными градиентами. Эти температурные градиенты, в свою очередь, могут создавать напряжение через Эффект Зеебека. Будет ли преобладать прямое возбуждение или тепловые эффекты над фотоэлектрическим эффектом, будет зависеть от многих параметров материала.

Все вышеперечисленные эффекты генерируют постоянный ток, первая демонстрация фотоэлектрического эффекта переменного тока (AC PV) была проведена доктором Хайян Цзоу и профессором Чжун Линь Вангом в Технологический институт Джорджии в 2017. Эффект AC PV - это генерация переменного тока (AC) в неравновесных состояниях, когда свет периодически светит на стык или поверхность раздела материала.[4] Эффект переменного тока PV основан на емкостной модели, согласно которой ток сильно зависит от частоты прерывателя. Предполагается, что эффект AC PV является результатом относительного сдвига и перестройки между квазиуровнями Ферми полупроводников, прилегающих к переходу / границе раздела в неравновесных условиях. Электронный поток во внешней цепи вперед и назад, чтобы уравновесить разность потенциалов между двумя электродами. Органический солнечный элемент, материалы которого не имеют начальной концентрации носителей, не обладают эффектом фотоэлектрического переменного тока.

В большинстве фотоэлектрических приложений радиация солнечный свет, а устройства называются солнечные батареи. В случае солнечного элемента с полупроводниковым p-n (диодным) переходом, освещение материала создает электрический ток, потому что возбужденные электроны и оставшиеся дырки уносятся в разные стороны встроенным электрическим полем области обеднения.[5] ФЭП переменного тока работает в неравновесных условиях. Первое исследование было основано на нанопленке p-Si / TiO2. Было обнаружено, что за исключением выхода постоянного тока, генерируемого обычным эффектом PV на основе p-n перехода, переменный ток также возникает, когда на границе раздела загорается мигающий свет. Эффект переменного тока PV не подчиняется закону Ома, поскольку основан на емкостной модели, согласно которой ток сильно зависит от частоты прерывателя, а напряжение не зависит от частоты. Пиковый ток переменного тока при высокой частоте переключения может быть намного выше, чем ток постоянного тока. Величина выходной мощности также связана со светопоглощением материалов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Солнечные элементы - химическая энциклопедия - структура, металл, уравнение, pn переход". www.chemistryexplained.com.
  2. ^ Пальц, Вольфганг (2010). Энергия для мира - появление электричества от Солнца. Бельгия: Pan Stanford Publishing. п. 6. ISBN  9789814303385.
  3. ^ Гварниери, М. (2015). «Больше света на информацию». Журнал IEEE Industrial Electronics Magazine. 9 (4): 58–61. Дои:10.1109 / MIE.2015.2485182. S2CID  13343534.
  4. ^ Цзоу, Хайян; Дай, Гочжан; Ван, Аурелия Чи; Ли, Сяогань; Чжан, Стивен Л .; Дин, Венбо; Чжан, Лэй; Чжан, Инь; Ван, Чжун Линь (2020-02-03). «Фотовольтаический эффект переменного тока». Современные материалы. 32 (11): 1907249. Дои:10.1002 / adma.201907249. ISSN  0935-9648. PMID  32009275.
  5. ^ Фотоэлектрический эффект. Scienzagiovane.unibo.it (01.12.2006). Проверено 12 декабря 2010.