Fascynujące przemiany energii: Nietypowa fotowoltaika (2)

Poniższy artykuł także jest częścią nietypowej instrukcji obsługi do zestawu Fascynujące przemiany energii, dostępnego w sklepie Botland, służącego do przeprowadzenia mnóstwa interesujących eksperymentów. Badamy przemiany energii świetlnej na elektryczną (i na odwrót).

Ten artykuł też jest rozszerzeniem i uzupełnieniem moich filmów o numerach B103 oraz B104, dotyczących przemian energii świetlnej. Z podręczników dowiadujemy się, że energia świetlna to energia fal elektromagnetycznych, czyli okresowych zmian, drgań specyficznie połączonych pól: elektrycznego i magnetycznego (czymkolwiek te pola są). Nie jest to jednak cała prawda o energii świetlnej.

Kwantowy, czyli granulowany świat

„Od zawsze” elektryczność i magnetyzm były zjawiskami bardzo tajemniczymi. Dawni naukowcy próbowali je tłumaczyć na podstawie różnych wyobrażeń opartych na intuicji. Takie intuicyjne wyobrażenie, oparte na XVIII–wiecznej teorii fluidów mówi, że prąd elektryczny płynie w przewodach podobnie jak woda płynie w rurach. To wyjaśnienie było proste i przekonywało także ówczesnych naukowców.

Jednak już w połowie XIX wieku za sprawą takich geniuszy jak Faraday, Maxwell i Heaviside okazało się, że elektryczność i magnetyzm są ze sobą nierozłącznie związane i że zjawiska elektryczne mają charakter falowy. To było trudne do zrozumienia nie tylko dla ich współczesnych. Do dziś mnóstwo osób nie jest w stanie pogodzić się z faktem, że to nie prąd elektryczny przenosi energię, lecz energię przenosi współdziałanie pola elektrycznego i pola magnetycznego.

Rozważania Maxwella, oparte na koncepcjach Faradaya zaowocowały odkryciem i praktycznym wykorzystaniem fal radiowych, które tak samo jak światło, są okresowymi, specyficznymi zmianami pól: elektrycznego i magnetycznego. A podstawowa różnica to częstotliwość zmian, drgań tych pól.

Maxwell, Heaviside i ich następcy wyjaśnili bardzo wiele, ale już na przełomie wieków XIX i XX było jasne, że nie są to wyjaśnienia pełne.

To długa historia. Między innymi w eksperymentach wychodziło na to, że natężenie światła to nie wszystko. Okazywało się mianowicie, że natężenie światła mogło być duże, a najprościej mówiąc, czujnik nie reagował. Wszystko wskazywało na to, że, upraszczając, oprócz „ilości światła”, w grę wchodziło coś innego, coś w rodzaju „siły światła”.

Światło niewątpliwie jest falą elektromagnetyczną, ale w wielu sytuacjach zachowuje się tak, jakby było strumieniem swego rodzaju granulek, strumieniem cząstek. I do dziś wielu osobom nie mieści się w głowie, że światło jest jednocześnie i falą, i cząstką, zwaną fotonem, co w fizyce nazywa się dualizmem korpuskularno-falowym.

Okazało się, że ta „siła światła”, a raczej energia pojedynczych granulek – kwantów światła, fotonów – zależy od częstotliwości fali elektromagnetycznej, czyli od długości fali, od barwy światła.

Elektronik zapisałby to w postaci wzoru z użyciem literki f do oznaczenia częstotliwości. W fizyce zamiast literki f wykorzystuje się grecką literkę ni (ν), a w grę wchodzi też maleńka stała fizyczna, zwana stałą Plancka. Dlatego wzór na energię pojedynczej „granulki światła”, fotonu zwykle zapisuje się w postaci E = hν, gdzie h to stała Plancka,
a ν – częstotliwość.

To jest artykuł o przemianach energii, o energii światła. Możemy słusznie mówić, że światło – fale elektromagnetyczne o ogromnych częstotliwościach rzędu setek teraherców – niosą energię. Tak, ale światło jest też jednocześnie strumieniem „granulek” – fotonów. Dlatego opisując energetyczne właściwości światła należy podać nie tylko, najprościej mówiąc, „ilość światła”, czyli „liczbę granulek”, ale też energię poszczególnych „granulek”.

Czym większa częstotliwość (mniejsza długość fali), tym energia pojedynczego fotonu jest większa. Częstotliwość fali światła czerwonego (o długości fali około 700 nanometrów) jest mniejsza, niż niebieskiego (o długości fali około 400 nanometrów), więc kwant światła czerwonego ma mniejszą energię niż kwant światła niebieskiego.

I tu wracamy do testów z filmu. Eksperymenty ze zwyczajnymi, różnokolorowymi diodami LED, między innymi z tymi pokazanymi na fotografii 1, udowodniły, że wszystkie diody LED są jednocześnie ogniwami fotowoltaicznymi. Wszystkie reagują na światło białe, które jest mieszaniną światła o różnych barwach. Natomiast niejednakowo reagują na światło o różnych barwach. Okazało się też, że niebieskie diody LED pracujące jako fotoogniwa nie reagują na „niskoenergetyczne” światło czerwone, a tym bardziej na jeszcze „mniej energetyczne” promieniowanie podczerwone o długości fali około 940 nanometrów. Reagują na „wysokoenergetyczne” światło niebieskie i tym bardziej ultrafioletowe (o długości fali światła mniej więcej 300 nanometrów).

Natężenie światła czerwonego (liczba granulek), może być duże, ale niebieska fotodioda nie reaguje nawet przy bardzo silnym świetle czerwonym. Dlatego, że poszczególne granulki mają za małą energię żeby „przeskoczyć próg”.

Natomiast czerwone diody LED w roli fotoogniw reagowały na światło widzialne o dowolnych barwach. Najprościej biorąc dlatego, że „granulki” światła o innych barwach niosą większą energię, niż czerwone.

Bariera energetyczna w półprzewodnikach

A co znaczy „przeskoczyć próg”? Tu dochodzimy do ogromnie ważnych zagadnień związanych ze wszystkimi elementami półprzewodnikowymi. Ich działania absolutnie nie da się wytłumaczyć ani za pomocą prymitywnych analogii wodnych, ani nawet za pomocą genialnej koncepcji fal elektromagnetycznych Maxwella.

Te XIX-wieczne, uproszczone, skądinąd bardzo pożyteczne wyobrażenia, w przypadku półprzewodników okazują się bezużyteczne, bo elektromagnetyzm jest dużo bardziej skomplikowany i nadal nie do końca poznany i opisany. Dlatego, żeby zrozumieć właściwości półprzewodników, czymkolwiek one są, potrzebny jest inny, bardziej skomplikowany model, wyobrażenie. Omawiałem to we wcześniejszych filmach i artykułach o czterech piętrach elektroniki.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w majowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 5/2026). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 5/2026 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.