Понятие излучения

Впервые волновые представления о свете появились в начале 19-ого века. Опыты Юнга, Араго и Френеля показали существование интерференционных эффектов в пучках света, свидетельствовавших о том, что свет состоит из волн. К концу 60-ых годов видимый свет представляли, как часть всего электромагнитного спектра. Однако, в конце 19-ого века у волновой теории возникли определенные трудности: волновые уравнения не могли объяснить результаты опытов по измерению спектра излучения нагретых тел. Это противоречие было разрешено Максом Планком в 1900г. и Альбертом Эйнштейном в 1905г. Планк предложил, что вся энергия света состоит из энергий неразличимых элементов — квантов энергии. В процессе исследования фотоэффекта (освобождение электронов из некоторых металлов и полупроводников под действием света) Эйнштейн смог верно определить величину энергетических квантов. За это открытие Планк и Эйнштейн получили Нобелевские премии в 1918 и 1921 годах соответственно. Основным результатом их работы стало понимание того, что свет можно описать, как набор «пакетов» или частиц энергии — фотонов.

Сегодня для объяснения волновой и корпускулярной природы света используют аппарат квантовой механики. В квантовой механике фотон, наряду со всеми остальными квантово-механическими частицами (электронами, протонами и др.), наиболее точно представляется, как «волновой пакет». Волновой пакет — это набор волн, который может взаимодействовать так, как-будто является пространственно локализованным (аналогично прямоугольной волне, являющейся результатом сложения бесконечного числа синусоидальных волн) либо может взаимодействовать, как обычная волна. Если волновой пакет пространственно локализован, он ведет себя как частица. Поэтому, в зависимости от ситуации, фотон может проявлять себя или как частица, или как волна. Эта концепция получила название корпускулярно-волновой дуализм. В PVCDROM мы нарисовали волновой пакет следующим образом:

Полное физическое описание свойств света требует его квантово-механического анализа, так как фотоны являются разновидностью квантово-механических частиц. Обычно, для понимания работы солнечного элемента нет необходимости вдаваться в эти подробности, поэтому мы посвятили квантовой механике всего несколько строк. В некоторых случаях (к счастью, редко касающихся ФЭ систем) свет может вести себя не так, как следует из приведенных здесь коротких объяснений. Его поведение может противоречить «здравому смыслу», под которым понимается наши повседневные наблюдения и ощущения. Так как квантово-механические эффекты существуют вне пределов человеческого восприятия, к ним нельзя применять понятия здравого смысла. Для получения более полной информации о современной представлении природы света, пожалуйста, обращайтесь к книгам Richard Feynman.

Падающее на Землю солнечное излучение обладает некоторыми основными характеристиками, важными для определения того, как оно взаимодействует с ФЭ преобразователем или другими объектами. Этими характеристиками являются:

- спектральный состав падающего излучения
- интенсивность солнечного излучения
- угол, под которым падающее солнечное излучение попадает на фотоэлектрический модуль
- годовое или дневное количество энергии солнечного излучения, падающее на определенную поверхность

К концу этой главы, вы будете знать о всех вышеупомянутых концепциях.

Энергия фотона

соотношением: 

где h — постоянная Планка, с — скорость света. Величины этих и других часто используемых констант приведены на этой странице.

Так как энергия фотона обратно пропорциональна длине волны, фотоны с высокой энергией, например, фотоны синего света, имеют длину волны меньше, чем фотоны красного света с более низкой энергией.

Для описания энергии фотонов и электронов вместо джоулей удобнее использовать единицу энергии, называемую электрон-Вольт (эВ). 1 электрон-Вольт равен энергии необходимой одному электрону для преодоления поля, создаваемого разностью потенициалов 1 Вольт, 1 эВ = 1.602×10-19 Дж.

Если энергию фотона записать в электрон-Вольтах (эВ), а длину волны в микрометрах (µm), то предыдущее уравнение можно представить, как

Вы можете воспользоваться картой длин волн или калькулятором для нахождения соответствующей энергии фотона в любой части электромагнитного спектра.

Введите длину волны, λ = 0,6 мм
Энергия фотона , E = 2,0667 эВ

Поток фотонов

Плотность потока фотонов нужна для того, чтобы определить число генерируемых светом электронов, а следовательно и силу тока, вырабатываемого солнечным элементом. Кроме величины плотности потока фотонов необходимо также знать их энергию или длину волны. Если известны плотность потока фотонов и длина волны или энергия фотонов, то для каждой длины волны или энергии можно рассчитать поверхностную плотность потока излучения (интенсивность — для единичной поверхности или освещенность — если речь идет о заданной поверхности). Поверхностная плотность потока излучения получается умножением плотности потока фотонов на энергию одного фотона. Так как плотность потока фотонов — это число фотонов, падающих на поверхность в единицу времени, то, умножив его на энергию одного фотона, получим энергию, падающую на поверхность в единицу времени, то есть поверхностную плотность потока излучения. Если энергию фотона записать в Джоулях, то интенсивность будет иметь размерность Вт/м2 и

где Ф — это поток фотонов.

Ф = 3e21 м-2с-1
Eф = 2 эВ

H = 961,2 Вт/м2

Одним из следствий из этого уравнение является то, что для обеспечение одной и той же интенсивности излучения нужно иметь большую плотность потока фотонов с низкой энергией, чем с высокой. Анимация показывает одинаковую интенсивность излучения, создаваемую фотонами синего и красного цвета, падающими на поверхность. Синих фотонов меньше, так как они имеют большую энергию.

Спектральная площадь освещенности

При анализе солнечных элементов в большинстве случаев необходимо знать не только плотность потока фотонов, но и спектральную плотность освещенности. Ее можно получить из потока фотонов на определенной длине волны, как показано в разделе «Поток фотонов». Результат потом делится на данную длину волны:

где
F — спектральная плотность освещенности в Втм-2μм-1;
Ф — плотность потока фотонов в # фотонов м −2с-1
Е и λ — энергия и длина волны фотона в эВ и мкм соответственно и q, h и c — константы.

Спектральная плотность светимости ксеноновой (зеленая линия), галогеновой (синяя) и ртутной (красная) ламп по левой оси показаны на графике в сравнении со спектральной излучательной способностью Солнца (розовая линия) по правой оси.

Плотность энергии излучения

где
Н — это полная светимость источником света (освещенность объекта) в Втм −2
F(λ) — спектральная излучательная способность в Втм-2µм-1
Δλ, dλ — длины волн

PVCDROM Christiana Honsberg и Stuart Bowden