Cum se obține curent electric din lumină? Ce este efectul fotoelectric? Din ce materiale sunt construite celulele fotovoltaice? Ce fel de unde electromagnetice sunt folosite pentru a genera curent electric?
Despre efectul fotoelectric și cum acționează acesta aflăm de la Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brașov, Laboratorul de Fizică Aplicată și Computațională.
Efectul fotoelectric a fost descris pentru prima dată de către Albert Einstein în 1905, în lucrarea „On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”. În această lucrare Einstein explică faptul că lumina există și sub forma unor quante, unor unități discrete de lumină numite fotoni. Astfel se scotea în evidență caracterul dual al luminii, fiind pus în prim-plan faptul ca fotonii sunt particule de lumină.
Lucrarea explică, de altfel, și modul prin care un foton poate scoate un electron din interiorul unui metal. De acolo și până la crearea unor experimente care să obțină curent electric nu a mai fost decât un pas. Curentul electric nu este altceva decât un șir de electroni care se deplasează în mod ordonat.
Einstein a primit Premiul Nobel în 1921 pentru descoperirea efectului fotoelectric.
S-a constatat că fotonul de energie E = hν trebuie să aiba o energie minimă, numită Lucru de extracție, cu ajutorul căreia să scoată electronul din metal. Lucrul de extracție este diferit pentru metale diferite.
E = h ν
h – constanta lui Plank ( 6.62607004 × 10^-34 m^2 kg / s )
ν – frecvența fotonului ( ν = c / λ )
c – viteza luminii, aprox 300 000 km/s
λ – lungimea de undă
Metale și compuși folosiți în celulele fotovoltaice sunt siliciul, cesiul, aliaj cadmiu-telur – CdTe, film de siliciu, aliaj cupru-indiu-galiu-seleniu – CIGS, film galiu-arsenic, sodiu, aluminiu, molibden și altele.
Tabel energii minime de extracție în funcție de metalul folosit (imagine via Hyperphysics ):
Energii minime pentru Lucrul de extracție sunt mai jos. Conversii necesare: din eV în Hz și din Hz în lungimi de undă:
1 eV -> 100 THz, IR apropiat, 3000 nm
2 eV -> 500 THz, verde, 495-570 nm
4 eV -> 900THz, violet spre UV, 300 nm
5 eV -> 1,2 PHz, UV, 250 nm
Efectul fotoelectric este folosit în celulele fotovoltaice unde lumina incidentă creează un curent electric. Lumina vizibilă poate crea curent electric dacă se folosesc fotoni de lumină verde pentru celule fotovoltaice cu cesiu sau fotoni de culoare violetă dacă se folosesc metale ca aluminiul sau cadmiul. Verifică tabelul de mai sus și folosește convertorii pentru a afla ce fel de fotoni au energia minimă în funcție de metalul de interes.
Un lucru de știut este acela că intensitatea fotonilor nu ajută la îndepărtarea electronului din metal. Cu alte cuvinte, dacă ai mulți fotoni roșii sau IR la un loc, adică dacă ai lumină mai strălucitoare în acea bandă, atunci nu vei reuși să obții curent electric. Ai nevoie ca fotonii înșiși să fie de o energie mai mare decât energia minimă de extracție.
UV și X vor genera întotdeauna curent electric datorită faptului că au energii minime foarte mari comparativ cu lumina verde sau altele de lungimi de undă mai mari.
Filmat și editat de Manuel Cheța: http://tehnocultura.com
Filmat la Universitatea „Transilvania” Brașov, Colina Universității.
Audio podcast:
https://itunes.apple.com/ro/podcast/tehnocultura/id929951093?mt=2
––
Referințe:
– efectul fotoelectric:
https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect#20th_century
– efectul fotoelectric video:
– efectul fotoelectric sumar:
http://effectinforme.blogspot.co.uk/2015/10/photoelectric-effect.html
– fotonii:
https://www.pa.msu.edu/courses/1997spring/PHY232/lectures/quantum/photons.html
– spectrul vizibil al luminii:
https://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum
– tabel cu lucrul de extracție a electronilor:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/photoelec.html
– materiale celule fotovoltaice:
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell#Materials
– convertor fizica eV în Hz:
http://www.translatorscafe.com/cafe/EN/units-converter/energy/62-11/hertz-electron-volt/
– convertor fizică Hz în lungimi de undă – nm:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ems1.html
– imagine tipuri de fotoni:
http://scienceblogs.com/startswithabang/2014/05/31/comments-of-the-week-13-from-writing-to-relativity/
– imagine diagrama efect fotoelectric:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photoelectric_effect.svg
– imagine efect fotoelectric în semiconductor:
http://www.physicsexperiment.co.uk/content/photoelectric.html