Efekt fotowoltaiczny jest jednym z kluczowych zjawisk fizycznych współczesnej energetyki, które umożliwiło praktyczne zastosowanie promieniowania słonecznego do wytwarzania energii elektrycznej. Jego znaczenie wykracza daleko poza samą fizykę półprzewodników – to fundament globalnej transformacji energetycznej, opartej na źródłach odnawialnych. Zrozumienie mechanizmu tego zjawiska wymaga zarówno znajomości struktury elektronowej ciała stałego, jak i wiedzy z zakresu fizyki kwantowej. Szczególną rolę odgrywa tutaj krzem, będący podstawowym materiałem w produkcji ogniw słonecznych.
Przeczytaj także:
- Co to jest inwerter i jakie są jego rodzaje?
- Jak działa ogniwo fotowoltaiczne?
- Ile energii produkuje ogniwo fotowoltaiczne?
Co to jest efekt fotowoltaiczny?
Efekt fotowoltaiczny to proces, w którym energia promieniowania elektromagnetycznego, zazwyczaj w zakresie światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni, zostaje bezpośrednio przekształcona w energię elektryczną w materiale półprzewodnikowym. Istota zjawiska polega na generacji siły elektromotorycznej na skutek absorpcji fotonów, co prowadzi do powstania par elektron–dziura. Zjawisko to po raz pierwszy zostało zaobserwowane w 1839 roku przez Alexandra Edmunda Becquerela, jednak jego wyjaśnienie teoretyczne pojawiło się znacznie później, wraz z rozwojem mechaniki kwantowej i teorii pasmowej.
Efekt fotowoltaiczny należy do grupy zjawisk fotoelektrycznych. Od klasycznego efektu fotoelektrycznego zewnętrznego różni się tym, że nośniki ładunku nie opuszczają materiału, lecz są separowane wewnątrz struktury półprzewodnika i mogą generować prąd w obwodzie elektrycznym. Kluczowe jest tu istnienie złącza p–n, które umożliwia rozdzielenie nośników i zapobiega ich rekombinacji.
Znaczenie efektu fotowoltaicznego dla współczesnej technologii jest fundamentalne. Bez jego zrozumienia nie byłoby możliwe konstruowanie wydajnych paneli słonecznych, które obecnie stanowią jeden z głównych filarów transformacji energetycznej na świecie.
Jak działa efekt fotowoltaiczny?
Aby uchwycić istotę działania efektu fotowoltaicznego, należy przyjrzeć się procesom zachodzącym w półprzewodnikach pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Mechanizm ten obejmuje kilka następujących po sobie etapów: absorpcję fotonu, wzbudzenie elektronu, generację pary elektron–dziura, separację nośników oraz powstanie różnicy potencjałów, która może zostać wykorzystana do wytworzenia prądu w obwodzie zewnętrznym.
Rola pasm energetycznych i przerwy energetycznej
Każdy półprzewodnik charakteryzuje się strukturą pasmową, obejmującą pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa, oddzielone od siebie przerwą energetyczną. W przypadku krzemu, szerokość tej przerwy wynosi około 1,1 eV w temperaturze pokojowej. Jeśli energia fotonu padającego na materiał jest większa od wartości przerwy energetycznej, możliwe jest wzbudzenie elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. W wyniku tego procesu powstaje elektron w paśmie przewodnictwa oraz dziura w paśmie walencyjnym.
Efektywność tego procesu zależy od widma promieniowania i dopasowania go do przerwy energetycznej materiału. Foton o energii mniejszej niż przerwa energetyczna nie zostanie zaabsorbowany, natomiast foton o energii znacznie większej niż Eg powoduje wzbudzenie elektronu, ale nadmiar energii zostaje utracony w postaci ciepła.
Mechanizm generacji par elektron–dziura
Powstanie pary elektron–dziura jest kluczowym etapem zjawiska fotowoltaicznego. Elektrony w paśmie przewodnictwa mogą poruszać się swobodnie, natomiast dziury w paśmie walencyjnym zachowują się jak dodatnie nośniki ładunku. Samo wytworzenie nośników nie wystarczy jednak do wygenerowania napięcia elektrycznego. Konieczne jest ich rozdzielenie i ukierunkowanie ruchu.
Separacja nośników i powstawanie napięcia
Separacja nośników odbywa się w obszarze złącza p–n, które jest podstawową strukturą większości ogniw słonecznych. W złączu powstaje wewnętrzne pole elektryczne wynikające z różnicy potencjałów chemicznych materiałów typu p i typu n. Pole to działa jak „pompa”, która przesuwa elektrony w kierunku obszaru n, a dziury w kierunku obszaru p. Dzięki temu nośniki zostają rozdzielone, a w obwodzie zewnętrznym może popłynąć prąd elektryczny, gdy tylko zostanie dołączone obciążenie.
Proces ten jest bardzo efektywny, jeśli materiał charakteryzuje się niskim współczynnikiem rekombinacji, czyli jeśli elektrony i dziury nie zanikają zbyt szybko w wyniku ponownego połączenia. W praktyce stosuje się dodatkowe techniki pasywacji powierzchni i wprowadzania warstw antyrefleksyjnych, aby zwiększyć wydajność ogniw.
Co to jest efekt fotoelektryczny zewnętrzny i wewnętrzny?
Efekt fotowoltaiczny jest ściśle związany ze zjawiskami fotoelektrycznymi, jednak należy go od nich wyraźnie odróżnić.
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny polega na emisji elektronów z powierzchni metalu lub półprzewodnika pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Aby do niego doszło, energia fotonu musi być większa niż praca wyjścia materiału. Zjawisko to zostało opisane przez Alberta Einsteina w 1905 roku i stało się jednym z kamieni milowych w rozwoju mechaniki kwantowej.
Efekt fotoelektryczny wewnętrzny, znany również jako efekt fotoprzewodnictwa, polega na zwiększeniu przewodnictwa elektrycznego materiału półprzewodnikowego pod wpływem promieniowania. Foton wzbudza elektron do pasma przewodnictwa, przez co materiał zaczyna lepiej przewodzić prąd, jeśli zostanie do niego przyłożone napięcie zewnętrzne.
Efekt fotowoltaiczny różni się od obu tych zjawisk. Jest on związany z generacją napięcia wewnętrznego bez konieczności przyłożenia pola zewnętrznego, co umożliwia pozyskiwanie energii elektrycznej bez dodatkowego źródła zasilania. Można więc powiedzieć, że efekt fotowoltaiczny jest szczególnym przypadkiem efektu fotoelektrycznego wewnętrznego, ale wyróżnia go obecność złącza p–n i powstawanie siły elektromotorycznej.
Dlaczego w panelach fotowoltaicznych wykorzystuje się krzem?
Krzem stał się podstawowym materiałem w technologii fotowoltaicznej z kilku istotnych powodów, które wynikają zarówno z jego właściwości fizycznych, jak i z czynników ekonomicznych.
Po pierwsze, krzem ma odpowiednią przerwę energetyczną (około 1,1 eV), która dobrze odpowiada widmu promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi. Dzięki temu możliwa jest relatywnie wysoka absorpcja fotonów i efektywne generowanie par elektron–dziura.
Po drugie, krzem jest jednym z najpowszechniej występujących pierwiastków w skorupie ziemskiej, co sprawia, że jego dostępność i koszty pozyskania są korzystne w porównaniu z wieloma innymi materiałami półprzewodnikowymi. Chociaż proces oczyszczania krzemu do jakości stosowanej w fotowoltaice jest energochłonny, to wypracowane technologie przemysłowe umożliwiły jego masową produkcję.
Po trzecie, krzem jest materiałem dobrze zbadanym i sprawdzonym w mikroelektronice. Doświadczenia z przemysłu półprzewodnikowego pozwoliły na przeniesienie wielu technologii do produkcji ogniw słonecznych, co znacząco obniżyło koszty ich wytwarzania.
Nie bez znaczenia jest również stabilność chemiczna krzemu, jego niska toksyczność oraz możliwość tworzenia struktur o dużej powierzchni. Alternatywne materiały, takie jak arsenek galu, tellurek kadmu czy perowskity, również wykazują obiecujące właściwości, lecz często wiążą się z wyższymi kosztami, mniejszą dostępnością lub problemami środowiskowymi. Dlatego to właśnie krzem pozostaje dominującym materiałem w panelach fotowoltaicznych i prawdopodobnie jeszcze przez długi czas będzie odgrywać kluczową rolę w energetyce słonecznej.
FAQ
Czym różni się efekt fotowoltaiczny od fotoelektrycznego?
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny polega na emisji elektronów z materiału, natomiast w efekcie fotowoltaicznym nośniki ładunku są generowane i separowane wewnątrz półprzewodnika, tworząc napięcie elektryczne.
Dlaczego najczęściej stosuje się krzem w ogniwach słonecznych?
Krzem ma odpowiednią przerwę energetyczną, jest powszechnie dostępny, dobrze przebadany i technologicznie opanowany. Dzięki temu stanowi najtańszy i najbardziej niezawodny materiał do masowej produkcji ogniw.
Czy inne materiały mogą zastąpić krzem?
Tak, prowadzone są badania nad perowskitami, arsenkiem galu czy tellurkiem kadmu, które mogą osiągać wyższą sprawność. Jednak ograniczona dostępność i koszty sprawiają, że krzem pozostaje podstawą komercyjnych paneli.
Jaką sprawność można osiągnąć dzięki efektowi fotowoltaicznemu?
Teoretyczna granica sprawności krzemowych ogniw słonecznych, tzw. limit Shockleya–Queissera, wynosi około 33%. W praktyce najlepsze ogniwa krzemowe osiągają obecnie sprawności przekraczające 26%.
