Efect fotovoltaic - Photovoltaic effect
Efectul fotovoltaic este generarea de tensiune și curent electric într-un material la expunerea la lumină . Este un fenomen fizic și chimic .
Efectul fotovoltaic este strâns legat de efectul fotoelectric . Pentru ambele fenomene, lumina este absorbită, provocând excitația unui electron sau a unui alt purtător de sarcină la o stare de energie mai mare. Principala distincție este că termenul de efect fotoelectric este de obicei folosit atunci când electronul este evacuat din material (de obicei în vid) și efect fotovoltaic utilizat atunci când purtătorul de sarcină excitat este încă conținut în material. În ambele cazuri, un potențial electric (sau tensiune) este produs de separarea sarcinilor, iar lumina trebuie să aibă o energie suficientă pentru a depăși bariera potențială de excitație. Esența fizică a diferenței constă, de obicei, în faptul că emisia fotoelectrică separă sarcinile prin conducție balistică și emisia fotovoltaică le separă prin difuzie, dar unele concepte ale dispozitivului fotovoltaic „purtător fierbinte” estompează această distincție.
Prima demonstrație a efectului fotovoltaic, realizată de Edmond Becquerel în 1839, a folosit o celulă electrochimică. El a explicat descoperirea sa în Comptes rendus de l'Académie des sciences , „producerea unui curent electric atunci când două plăci de platină sau aur cufundate într-o soluție acidă, neutră sau alcalină sunt expuse într-un mod inegal la radiația solară”.
Prima celulă solară, formată dintr-un strat de seleniu acoperit cu o peliculă subțire de aur, a fost experimentată de Charles Fritts în 1884, dar a avut o eficiență foarte slabă. Cu toate acestea, cea mai familiară formă a efectului fotovoltaic folosește dispozitive în stare solidă, în principal în fotodiode . Când lumina soarelui sau altă lumină suficient de energică este incidentă asupra fotodiodei, electronii prezenți în banda de valență absorb energia și, fiind excitați, sări la banda de conducere și devin liberi. Acești electroni excitați difuză, iar unii ajung la joncțiunea de rectificare (de obicei o joncțiune diodă pn ) unde sunt accelerați în materialul semiconductor de tip n de potențialul încorporat ( potențialul Galvani ). Acest lucru generează o forță electromotivă și un curent electric și, astfel, o parte din energia luminii este transformată în energie electrică. Efectul fotovoltaic poate apărea și atunci când doi fotoni sunt absorbiți simultan într-un proces numit efect fotovoltaic cu doi fotoni .
În plus față de excitația directă fotovoltaică a electronilor liberi, un curent electric poate apărea și prin efectul Seebeck . Atunci când materialul conductiv sau semiconductor este încălzit prin absorbția radiației electromagnetice, încălzirea poate duce la creșterea gradienților de temperatură în materialul semiconductor sau diferențiale între materiale. La rândul lor, aceste diferențe termice pot genera o tensiune, deoarece nivelurile de energie ale electronilor sunt schimbate diferit în diferite zone, creând o diferență de potențial între acele zone care la rândul lor creează un curent electric. Contribuțiile relative ale efectului fotovoltaic față de efectul Seebeck depind de multe caracteristici ale materialelor constitutive.
Toate efectele de mai sus generează curent continuu, prima demonstrație a efectului fotovoltaic de curent alternativ (AC PV) a fost făcută de Dr. Haiyang Zou și prof. Zhong Lin Wang la Institutul de Tehnologie din Georgia în 2017. Efectul AC PV este generarea de curent alternativ (AC) în stările de neechilibru când lumina strălucește periodic la joncțiunea sau interfața materialului. Efectul AC PV se bazează pe modelul capacitiv, că curentul depinde puternic de frecvența elicopterului. Efectul PV AC este sugerat a fi rezultatul schimbării relative și realinierii între nivelurile cvasi-Fermi ale semiconductoarelor adiacente joncțiunii / interfeței în condiții de neechilibru. Fluxul de electroni din circuitul extern înainte și înapoi pentru a echilibra diferența de potențial dintre doi electrozi. Celula solară organică, pe care materialele nu au o concentrație inițială de purtător, nu are efectul PV PV.
În majoritatea aplicațiilor fotovoltaice, radiația este lumina soarelui, iar dispozitivele sunt numite celule solare . În cazul unei celule solare de joncțiune pn (diodă) semiconductoare, iluminarea materialului creează un curent electric deoarece electronii excitați și găurile rămase sunt măturate în direcții diferite de câmpul electric încorporat al regiunii de epuizare. AC PV este operat în condiții de neechilibru. Primul studiu s-a bazat pe un nanofilm p-Si / TiO2. Se constată că, cu excepția ieșirii de curent continuu generate de efectul PV convențional bazat pe o joncțiune pn, curentul de curent alternativ este produs și atunci când o lumină intermitentă este iluminată la interfață. Efectul AC PV nu respectă legea lui Ohm, fiind bazat pe modelul capacitiv că curentul depinde puternic de frecvența elicopterului, dar tensiunea este independentă de frecvență. Curentul de vârf al curentului alternativ la o frecvență mare de comutare poate fi mult mai mare decât cel de la curent continuu. Mărimea de ieșire este, de asemenea, asociată cu absorbția de lumină a materialelor.