Θα περίμενε κανείς ότι όλα τα μήκη κύματος του φωτός που συμβαίνουν σε ένα ηλιακό κύτταρο θα είναι εξίσου καλό στην εκπομπή ρεύματος;
* Το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα: Τα ηλιακά κύτταρα λειτουργούν με βάση το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Όταν το φως χτυπά ένα υλικό ημιαγωγού, τα φωτόνια με αρκετή ενέργεια μπορεί να διεγείρουν ηλεκτρόνια, προκαλώντας τα ρέοντα και τη δημιουργία ρεύματος. Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο ονομάζεται χάσμα ζώνης του υλικού.
* Μήκος κύματος και ενέργεια: Η ενέργεια του φωτός είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος κύματος του. Τα μικρότερα μήκη κύματος (όπως το μπλε και το υπεριώδες) έχουν υψηλότερα φωτόνια ενέργειας. Τα μεγαλύτερα μήκη κύματος (όπως το κόκκινο και το υπέρυθρο) έχουν χαμηλότερα φωτόνια ενέργειας.
* Αντιστοίχιση χάσματος ζώνης: Ένα υλικό ηλιακού κυττάρου έχει ένα συγκεκριμένο κενό ζώνης. Μόνο τα φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη ή ίση με το κενό της ζώνης θα έχουν αρκετή ενέργεια για να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια και να συμβάλουν στην τρέχουσα γενιά.
* Απορρόφηση και μετάδοση: Τα φωτόνια με ενέργεια μικρότερη από το κενό της ζώνης δεν θα απορροφηθούν και απλά θα περάσουν από το υλικό. Τα φωτόνια με ενέργεια πολύ υψηλότερα από το χάσμα της ζώνης μπορούν να απορροφηθούν, αλλά η υπερβολική τους ενέργεια συχνά χάνεται ως θερμότητα.
Επομένως:
* Βέλτιστο εύρος μήκους κύματος: Υπάρχει ένα συγκεκριμένο φάσμα μήκους κύματος (συνήθως ορατό φως) που θα είναι πιο αποτελεσματικό στη δημιουργία ρεύματος για ένα δεδομένο υλικό ηλιακών κυττάρων.
* Απώλειες: Ορισμένα μήκη κύματος θα είναι αναποτελεσματικά λόγω της ύπαρξης κάτω από το κενό της ζώνης και άλλοι θα έχουν ενεργειακές απώλειες λόγω της υπέρβασης του χάσματος της ζώνης.
Παράδειγμα: Τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου έχουν κενό ζώνης περίπου 1,1 eV. Είναι πιο αποτελεσματικά στη μετατροπή μήκους κύματος στο ορατό φάσμα. Ωστόσο, απορροφούν κακώς στο υπέρυθρο και μεταδίδουν μερικά από το μπλε και υπεριώδη φως.
Συμπέρασμα: Για να μεγιστοποιηθεί η αποτελεσματικότητα, τα ηλιακά κύτταρα έχουν σχεδιαστεί για να χρησιμοποιούν τα μήκη κύματος του φωτός που ταιριάζουν καλύτερα στο χάσμα της ζώνης του υλικού τους.
