Світло, який ми бачимо щодня, є лише частиною всього випромінювання, виробленого Сонцем і падаючого на Землю. Сонячне світло - це вид електромагнітного випромінювання, і світло, який бачить наше око, є лише невеликою частиною всього електромагнітного спектра, наведеного на зображенні справа. Електромагнітний спектр є відображенням того, що світла притаманні хвильові властивості: світло можна описати як набір хвиль з різними характеристиками, такими як довжина хвилі.
Вперше хвильові уявлення про світло з'явилися на початку 19-ого століття. Досліди Юнга, Араго і Френеля показали існування інтерференційних ефектів в пучках світла, які свідчили про те, що світло складається з хвиль. До кінця 60-их років видиме світло представляли, як частина всього електромагнітного спектра. Однак, в кінці 19-ого століття у хвильової теорії виникли певні труднощі: хвильові рівняння не могли пояснити результати дослідів з вимірювання спектра випромінювання нагрітих тіл. Це протиріччя було дозволено Максом Планком в 1900 р. і Альбертом Ейнштейном в 1905р. Планк запропонував, що вся енергія світла складається з енергій нерозпізнаних елементів - квантів енергії. У процесі дослідження фотоефекту (звільнення електронів з деяких металів і напівпровідників під дією світла) Ейнштейн зміг вірно визначити величину енергетичних квантів. За це відкриття Планк і Ейнштейн отримали Нобелівські премії в 1918 і 1921 роках відповідно. Основним результатом їх роботи стало розуміння того, що світло можна описати, як набір «пакетів» або частинок енергії - фотонів.
Сьогодні для пояснення хвильової і корпускулярної природи світла використовують апарат квантової механіки. У квантовій механіці фотон, поряд з усіма іншими квантово-механічними частинками (електронами, протонами і ін.), Найбільш точно представляється, як «хвильової пакет». Хвильовий пакет - це набір хвиль, який може взаємодіяти так, как-будто є просторово локалізованим (аналогічно прямокутної хвилі, що є результатом складання нескінченного числа синусоїдальних хвиль) або може взаємодіяти, як звичайна хвиля. Якщо хвильової пакет просторово локалізована, він веде себе як частинка. Тому, в залежності від ситуації, фотон може проявляти себе або як частка, або як хвиля. Ця концепція отримала назву корпускулярно-хвильовий дуалізм. У PVCDROM ми намалювали хвильової пакет наступним чином:
Повне фізичне опис властивостей світла вимагає його квантово-механічного аналізу, так як фотони є різновидом квантово-механічних частинок. Зазвичай, для розуміння роботи сонячного елемента немає необхідності вдаватися в ці подробиці, тому ми присвятили квантовій механіці всього кілька рядків. У деяких випадках (на щастя, рідко стосуються ФЕ систем) світло може вести себе не так, як випливає з наведених тут коротких пояснень. Його поведінка може суперечити «здоровому глузду», під яким розуміється наші повсякденні спостереження і відчуття. Так як квантово-механічні ефекти існують поза межами людського сприйняття, до них не можна застосовувати поняття здорового глузду. Для отримання більш повної інформації про сучасну поданні природи світла, будь ласка, звертайтеся до книг Richard Feynman.
Падіння на Землю сонячне випромінювання володіє деякими основними характеристиками, важливими для визначення того, як воно взаємодіє з ФЕ перетворювачем або іншими об'єктами. Цими характеристиками є:
- спектральний склад падаючого випромінювання
- інтенсивність сонячного випромінювання
- кут, під яким падає сонячне випромінювання потрапляє на фотоелектричний модуль
- річне або денна кількість енергії сонячного випромінювання, падаюче на певну поверхню
До кінця цієї глави, ви будете знати про всіх вищезазначених концепціях.
енергія фотона
Фотон характеризується або довжиною хвилі λ, або еквівалентної цій довжині хвилі енергією, що позначається Е. Вони пов'язані між собою
співвідношенням: 
де h - постійна Планка, с - швидкість світла. Величини цих та інших часто використовуваних констант наведені на цій сторінці.
Так як енергія фотона обернено пропорційна довжині хвилі, фотони з високою енергією, наприклад, фотони синього світла, мають довжину хвилі менше, ніж фотони червоного світла з більш низькою енергією.
Для опису енергії фотонів і електронів замість джоулів зручніше використовувати одиницю енергії, яка називається електрон-Вольт (еВ). 1 електрон-Вольт дорівнює енергії необхідної одному електрону для подолання поля, створюваного різницею потеніціалов 1 Вольт, 1 еВ = 1.602 × 10-19 Дж.
Якщо енергію фотона записати в електрон-Вольтах (еВ), а довжину хвилі в мікрометрів (μm), то попереднє рівняння можна представити, як
Ви можете скористатися картою довжин хвиль або калькулятором для знаходження відповідної енергії фотона в будь-якій частині електромагнітного спектру.
Введіть довжину хвилі, λ = 0,6 мм
Енергія фотона, E = 2,0667 еВ
потік фотонів
Щільність потоку фотонів - це число фотонів, що проходять через одиницю поверхні в одиницю часу:
Щільність потоку фотонів потрібна для того, щоб визначити число генеруються світлом електронів, а отже і силу струму, що виробляється сонячним елементом. Крім величини щільності потоку фотонів необхідно також знати їх енергію або довжину хвилі. Якщо відомі щільність потоку фотонів і довжина хвилі або енергія фотонів, то для кожної довжини хвилі або енергії можна розрахувати поверхневу щільність потоку випромінювання (інтенсивність - для одиничної поверхні або освітленість - якщо мова йде про заданої поверхні). Поверхнева щільність потоку випромінювання виходить множенням щільності потоку фотонів на енергію одного фотона. Так як щільність потоку фотонів - це число фотонів, що падають на поверхню в одиницю часу, то, помноживши його на енергію одного фотона, отримаємо енергію, що падає на поверхню в одиницю часу, тобто поверхневу щільність потоку випромінювання. Якщо енергію фотона записати в Джоулях, то інтенсивність буде мати розмірність Вт / м2 і
де Ф - це потік фотонів.
Ф = 3e21 м-2 с-1
Eф = 2 еВ
H = 961,2 Вт / м2
Одним із наслідків з цього рівняння є те, що для забезпечення однієї і тієї ж інтенсивності випромінювання потрібно мати велику щільність потоку фотонів з низькою енергією, ніж з високою. Анімація показує однакову інтенсивність випромінювання, що створюється фотонами синього і червоного кольору, що падають на поверхню. Синіх фотонів менше, так як вони мають велику енергію.
Спектральна площа освітленостіСпектральна щільність освітленості (світності), як функція довжини хвилі або енергії фотона, позначається F і є найбільш поширеним способом опису освітлюваної поверхні (джерела світла). Вона дає поверхневу щільність потоку випромінювання для певної довжини хвилі. Одиниці спектральної щільності освітленості - Втм-2μм-1. 1 Втм-2 це поверхнева щільність потоку випромінювання на довжині хвилі λ (μм). Тому м-2 відноситься до площі освітлюваної поверхні (джерела світла), а μм-1 до інтересуемой довжині хвилі.
При аналізі сонячних елементів в більшості випадків необхідно знати не тільки щільність потоку фотонів, а й спектральну щільність освітленості. Її можна отримати з потоку фотонів на певній довжині хвилі, як показано в розділі «Потік фотонів». Результат потім ділиться на дану довжину хвилі:
де
F - спектральна щільність освітленості в Втм-2μм-1;
Ф - щільність потоку фотонів в # фотонів м -2С-1
Е і λ - енергія і довжина хвилі фотона в еВ і мкм відповідно і q, h і c - константи.
Спектральна щільність світності ксеноновим (зелена лінія), галогеновой (синя) і ртутної (червона) ламп по лівій осі показані на графіку в порівнянні зі спектральної випромінювальною здатністю Сонця (рожева лінія) по правій осі.
Щільність енергії випромінюванняПовну (освітленість об'єкта) світність джерела світла можна отримати інтегруванням спектральної щільності освітленості з усіх довжинах хвиль або енергій. Однак для великої кількості випадків точне рівняння спектральної щільності освітленості записати неможливо. Замість інтегрування спектральну щільність освітленості вимірюють для кожної довжини хвилі і за тим підсумовують по всіх довжинах хвиль. Для визначення повної освітленості (світності) можна використовувати наступне рівняння:
де
Н - це повна світність джерелом світла (освітленість об'єкта) в Втм -2
F (λ) - спектральна випромінювальна здатність в Втм-2μм-1
Δλ, dλ - довжини хвиль
