Hvad er forskellen på fotovoltaisk- og fotoelektrisk effekt? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvad er forskellen på ...

10. juli 2012

Hvad er forskellen på fotovoltaisk- og fotoelektrisk effekt?

Hej Spørg om fysik
Hvori ligger forskellen helt præcist mellem fotovoltaisk effekt og fotoelektrisk effekt?
De er direkte relateret til hinanden, men det er to forskellige processer, så vidt jeg har forstået.

På forhånd tak!

Med venlig hilsen
LJ

Fotovoltaisk effekt er den effekt, som opstår, når man ved belysning af visse kombinationer af stoffer, får en spændingsforskel imellem stofferne. Man kan dermed omdanne lys til energi.

Solcelleanlæg

I gamle dage skete det ved belysning af selenflader lagt på jern. I dag er cellerne lavet af f.eks. silicium passende dopet (meget små mængder af fremmedstoffer tilsat).

Der er altså tale om spændingsforskelle imellem to stoffer i kontakt, elektroner som på grund af lysenergien bevæger sig fra det ene stof til det andet.

Den første siliciumsolcelle, Bell labs

Den første solcelle

Den første solcelle blev principielt lavet af Alexandre-Edmond Becquerel (F, 1820 – May 1891) som 19 årig

Charles Edgar Fritts (US, 1869 - 1914?) konstruerede den første egentlige solcelle i 1883. Siliciumsolcellen blev udviklet på Bell laboratoriet af Calvin Fuller, Gerail Pearson og Daryl Chaplin omkring 1954. Virkningsgraden af enkeltlag i omegnen af 10%, specielle celler med flere lag kan fås op på omkring 30%.

Farvestofsolceller

Siliciumsolceller laves i øvrigt i 2 udgaver polykrystalinske og amorfe, hvor de første er de med højst virkningsgrad. Der findes en række andre stoffer som kan anvendes til solceller f.eks. Gallium-Arsenid, Gallium-nitrid (som kan nå effektiviteter på 40 – 70 %), Cadmium tellurid mm. Desuden PEC-solceller som kan lægges på vinduesruder (mindre end 10 % virkningsgrad).

Der findes også organiske solceller baseret på farvestoffer opfundet af Michael Grätzel (D, 1944-) og Brian C. O'Regan (UK) i 1981. Her lægges to lag organiske farvestoffer ovenpå hinanden (organic dye solar cell). Omkring 1990 blev de første plastiksolceller konstrueret. Virkningsgraden er i dag omkring 3%.

Fotoelektrisk effekt

De består af polymerbaserede halvledere. Endeligt en række solceller med flydende elektrolytter. De kommercielt anvendte i dag er af prismæssige- og udviklingsmæssige grunde især siliciumcellerne. De nævnte solceller kan for de flestes vedkommende fungere for lysbølgelængder fra ca. 1200 nm (nært infrarødt) og for kortere bølgelængder.

Fotoelektrisk effekt

Fotoelektrisk effekt opstår når en metaloverflade belyses med lys af passende kort bølgelængde lys (afhængigt af metallet). Her er altså tale om frigørelse af elektroner fra en overflade.

Max Karl Ernst Ludwig Planck

Det blev først observeret af Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894) i 1887, i sammenhæng med hans forsøg, som den første udførte med radiobølger (radiobølger havde været teoretisk kendte fra 1873).

Dette førte til Max Karl Ernst Ludwig Planck (D, 1858 – 1947) opstilling af teorien om lyskvanter.

Lyskvanterne har så energi nok til at frigøre elektroner fra overfladen, disse elektroner kommer ud med en hastighed (energi), som er forskellen på lyskvantets energi og det såkaldte løsrivelsesarbejde, som er den energi som kræves for at få elektronerne ud igennem overfladen af det pågældende metal. Dette er en materialekonstant for det pågældende metal.

Den frigjorte elektrons hastighed er altså større med mere energi, dvs. en kortere bølgelængde.

Energien af et lyskvant er E = h*f  =  h * c/l, hvor f er lysets frekvens og l bølgelængden, c er lyshastigheden.

Robert A. Millikan

Alkalimetallerne har de laveste løsrivelsesarbejder og frigør elektroner for lys i det synlige område, de fleste metaller kræver UV lys for elektronfrigørelse, de ædlere endda meget kortbølget lys. Ikke metaller kan også frigøre elektroner med UV-lys.

Albert Einstein (D, 1879 –  1955) fik nobelprisen for sin forklaring på fotoelektrisk effekt fra 1905. Sammenhængen imellem lysenergien og den kinetiske energi af elektronen blev eftervist eksperimenteltaf Robert A. Millikan (US, 1868 – 1953) i 1914.

Med venlig hilsen
Malte Olsen