Isi
- Pengaruh Panjang Gelombang Energi Surya terhadap Energi Elektron
- Fungsi Kerja dan Celah Pita
- Panjang gelombang minimum dan maksimum
- Panjang Gelombang Energi Matahari dan Efisiensi Sel
Sel surya bergantung pada fenomena yang dikenal sebagai efek fotovoltaik, yang ditemukan oleh fisikawan Perancis Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Ini terkait dengan efek fotolistrik, sebuah fenomena di mana elektron dikeluarkan dari bahan konduktor ketika cahaya bersinar di atasnya. Albert Einstein (1879-1955) memenangkan Hadiah Nobel 1921 dalam fisika untuk penjelasannya tentang fenomena itu, menggunakan prinsip-prinsip kuantum yang baru pada waktu itu. Berbeda dengan efek fotolistrik, efek fotovoltaik terjadi pada batas dua pelat semikonduktor, bukan pada pelat konduktor tunggal. Tidak ada elektron yang terlontar saat cahaya bersinar. Sebaliknya, mereka menumpuk di sepanjang batas untuk menciptakan tegangan. Saat Anda menghubungkan kedua pelat dengan kabel penghantar, arus akan mengalir di kabel.
Pencapaian besar Einstein, dan alasan dia memenangkan Hadiah Nobel, adalah untuk mengakui bahwa energi elektron yang dikeluarkan dari plat fotolistrik tergantung - bukan pada intensitas cahaya (amplitudo), seperti yang diprediksi oleh teori gelombang - tetapi pada frekuensi, yang merupakan kebalikan dari panjang gelombang. Semakin pendek panjang gelombang cahaya, semakin tinggi frekuensi cahaya dan semakin banyak energi yang dimiliki oleh elektron terlontar. Dengan cara yang sama, sel-sel fotovoltaik sensitif terhadap panjang gelombang dan merespon lebih baik terhadap sinar matahari di beberapa bagian spektrum daripada yang lain. Untuk memahami alasannya, ada baiknya untuk meninjau penjelasan Einstein tentang efek fotolistrik.
Pengaruh Panjang Gelombang Energi Surya terhadap Energi Elektron
Penjelasan Einstein tentang efek fotolistrik membantu membangun model cahaya kuantum. Setiap bundel cahaya, yang disebut foton, memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi getarannya. Energi (E) dari foton diberikan oleh hukum Plancks: E = hf, di mana f adalah frekuensi dan h adalah konstanta Plancks (6.626 × 10−34 joule ∙ detik). Terlepas dari kenyataan bahwa foton memiliki sifat partikel, ia juga memiliki karakteristik gelombang, dan untuk gelombang apa pun, frekuensinya adalah kebalikan dari panjang gelombangnya (yang di sini dilambangkan dengan w). Jika kecepatan cahaya adalah c, maka f = c / w, dan hukum Plancks dapat ditulis:
E = hc / w
Ketika foton terjadi pada suatu bahan penghantar, mereka bertabrakan dengan elektron-elektron dalam atom-atom individu. Jika foton memiliki energi yang cukup, mereka menghancurkan elektron di kulit terluar. Elektron ini kemudian bebas bersirkulasi melalui materi. Tergantung pada energi dari foton kejadian, mereka dapat dikeluarkan dari materi sama sekali.
Menurut hukum Plancks, energi foton yang terjadi berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya. Radiasi gelombang pendek menempati ujung violet dari spektrum dan termasuk radiasi ultraviolet dan sinar gamma. Di sisi lain, radiasi panjang gelombang panjang menempati ujung merah dan termasuk radiasi inframerah, gelombang mikro dan gelombang radio.
Sinar matahari mengandung seluruh spektrum radiasi, tetapi hanya cahaya dengan panjang gelombang yang cukup pendek yang akan menghasilkan efek fotolistrik atau fotovoltaik. Ini berarti bahwa bagian dari spektrum matahari berguna untuk menghasilkan listrik. Tidak masalah seberapa terang atau redup cahayanya. Itu hanya harus memiliki - setidaknya - panjang gelombang sel surya. Radiasi ultraviolet berenergi tinggi dapat menembus awan, yang berarti bahwa sel surya harus berfungsi pada hari berawan - dan memang demikian.
Fungsi Kerja dan Celah Pita
Sebuah foton harus memiliki nilai energi minimum untuk mengeluarkan elektron yang cukup untuk menjatuhkannya dari orbital mereka dan memungkinkan mereka untuk bergerak bebas. Dalam bahan konduktor, energi minimum ini disebut fungsi kerja, dan berbeda untuk setiap bahan konduktor. Energi kinetik dari elektron yang dilepaskan oleh tabrakan dengan foton sama dengan energi foton dikurangi fungsi kerja.
Dalam sel fotovoltaik, dua bahan semikonduktor yang berbeda menyatu untuk membuat apa yang oleh fisikawan disebut persimpangan PN. Dalam praktiknya, biasa menggunakan bahan tunggal, seperti silikon, dan untuk mengatasinya dengan bahan kimia yang berbeda untuk membuat persimpangan ini. Misalnya, doping silikon dengan antimon menciptakan semikonduktor tipe-N, dan doping dengan boron membuat semikonduktor tipe-P. Elektron yang terluput dari orbitnya berkumpul di dekat persimpangan PN dan meningkatkan tegangan melintasinya. Energi ambang untuk mengetuk elektron dari orbitnya dan masuk ke pita konduksi dikenal sebagai celah pita. Mirip dengan fungsi kerja.
Panjang gelombang minimum dan maksimum
Untuk tegangan berkembang di persimpangan PN sel surya. radiasi kejadian harus melebihi energi celah pita. Ini berbeda untuk bahan yang berbeda. Ini adalah 1,11 elektron volt untuk silikon, yang merupakan bahan yang paling sering digunakan untuk sel surya. Satu volt elektron = 1,6 × 10-19 joule, sehingga energi celah pita adalah 1,78 × 10-19 joule. Menyusun ulang persamaan dan penyelesaian Planks untuk panjang gelombang memberi tahu Anda panjang gelombang cahaya yang sesuai dengan energi ini:
w = hc / E = 1.110 nanometer (1,11 × 10-6 meter)
Panjang gelombang cahaya tampak terjadi antara 400 dan 700 nm, sehingga panjang gelombang bandwidth untuk sel surya silikon berada dalam kisaran inframerah yang sangat dekat. Setiap radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang, seperti gelombang mikro dan gelombang radio, tidak memiliki energi untuk menghasilkan listrik dari sel surya.
Setiap foton dengan energi lebih besar dari 1,11 eV dapat mengeluarkan elektron dari atom silikon dan masuk ke pita konduksi. Namun dalam praktiknya, foton dengan panjang gelombang sangat pendek (dengan energi lebih dari sekitar 3 eV) melepaskan elektron dari pita konduksi dan membuat mereka tidak dapat melakukan pekerjaan. Ambang panjang gelombang atas untuk mendapatkan pekerjaan yang berguna dari efek fotolistrik dalam panel surya tergantung pada struktur sel surya, bahan yang digunakan dalam konstruksi dan karakteristik rangkaian.
Panjang Gelombang Energi Matahari dan Efisiensi Sel
Singkatnya, sel-sel PV peka terhadap cahaya dari seluruh spektrum selama panjang gelombang di atas celah pita dari bahan yang digunakan untuk sel, tetapi cahaya dengan panjang gelombang sangat pendek terbuang. Ini adalah salah satu faktor yang mempengaruhi efisiensi sel surya. Lain adalah ketebalan bahan semikonduktor. Jika foton harus menempuh perjalanan jauh melalui materi, mereka kehilangan energi melalui tabrakan dengan partikel lain dan mungkin tidak memiliki energi yang cukup untuk mengusir elektron.
Faktor ketiga yang mempengaruhi efisiensi adalah reflektivitas sel surya. Sebagian kecil cahaya datang memantul pada permukaan sel tanpa menemukan elektron. Untuk mengurangi kerugian dari reflektifitas dan meningkatkan efisiensi, produsen sel surya biasanya melapisi sel dengan bahan penyerap cahaya yang tidak reflektif. Inilah sebabnya mengapa sel surya biasanya berwarna hitam.