Vad är den fotovoltaiska effekten?

Den fotovoltaiska effekten är den process genom vilken elektrisk ström i form av spänning skapas när elektromagnetisk strålning utsätts för ett visst material. Med solceller uppstår den fotovoltaiska effekten när mycket korta våglängder av solljus påverkar materien och elektroner blir upphetsade. Den elektromagnetiska strålningen släpps ut från solpanelen och samlas in av ett annat material. Denna utstötning av elektroner resulterar i att spänningen byggs upp och skapar energi som kan lagras i en battericell för senare användning. Två elektroder används för att samla in spänningen, som kan överföras till elnätet.

Olika typer av elektromagnetisk strålning orsakar olika exponeringsnivåer i solceller till följd av frekvens. Synligt ljus skapar den fotovoltaiska effekten när det påverkar alkalimetaller, ultraviolett ljus skapar det i andra metaller, med extremt ultraviolett ljus som används för icke-metaller. Detta koncept observerades först 1902 av Philipp Eduard Anton von Lenard när han upptäckte att olika ljusfärger, även känd som frekvens, avger olika nivåer av elektroner. Tidigare uppgav vågteorin om ljus från James Clerk Maxwell att strålningsintensiteten skulle skapa proportionell elektronenergi. Denna nya teori förklarade att fotoner var ansvariga för skapandet av elektronutkastning och fungerade som enskilda partiklar snarare än konstant vågor.

Fysikern AE Becquerel kände igen begreppet solskeneffekt solsken 1839, men hans förståelse var begränsad. 1883 konstruerade Charles Fritts den första solcellen med en selenhalvledare belagd i ett tunt guldskikt. Denna första användning av en solcell var bara en procent effektiv. Det var först 1954 som Bell Laboratories utvecklade ett praktiskt sätt att utnyttja solenergi.

Det sätt på vilken den fotovoltaiska effekten utnyttjas med solceller är mycket grundläggande. I huvudsak påverkar fotoner från solljuset solpanelen och absorberas av materialet. De negativt laddade elektronerna i materialet slås bort från atomerna, som sedan producerar elektricitet. Denna situation styrs genom att elektronerna kan röra sig endast i en riktning i panelen, vilket orsakar en omvänd handling där positivt laddade partiklar flyter i motsatt riktning. När båda dessa åtgärder sker, kan en elektrisk likström utnyttjas från den elektromagnetiska reaktionen.

Den fotovoltaiska effekten är avgörande för ett antal processer i det moderna livet. Förutom energiproduktion för allmänna ändamål är solceller viktiga för rymdskepp som används av NASA och andra rymdbyråer. Teknologins principer används också i digitalkameror i form av laddningskopplade enheter samt elektroskop som identifierar statisk elektricitet.