Efekt fotoelektryczny jest jednym z tych zjawisk fizycznych, które pozornie wyglądają bardzo prosto, a w rzeczywistości doprowadziły do rewolucji w całej nauce o materii i promieniowaniu. To właśnie jego zrozumienie otworzyło drogę do powstania fizyki kwantowej, nowoczesnej elektroniki, fotowoltaiki, a nawet rozwoju nowych technik badania materii. W poniższym tekście prześledzimy, czym jest efekt fotoelektryczny, jak został odkryty, w jaki sposób się go opisuje oraz jakie ma znaczenie praktyczne i filozoficzne dla współczesnej nauki.
Podstawy zjawiska fotoelektrycznego
Efekt fotoelektryczny to proces, w którym z powierzchni substancji – najczęściej metalu – emitowane są elektrony na skutek padającego na nią promieniowania elektromagnetycznego, najczęściej światła. Aby zrozumieć to zjawisko, trzeba połączyć wiedzę z zakresu optyki, fizyki ciała stałego oraz teorii kwantów. Kluczowe jest pojęcie energii fotonu oraz tzw. pracy wyjścia, czyli minimalnej energii potrzebnej, aby elektron mógł opuścić powierzchnię materiału.
W klasycznym ujęciu światło było traktowane wyłącznie jako fala. Gdy taka fala dociera do metalu, przenosi energię, którą elektron mógłby – zgodnie z tą prostą intuicją – gromadzić stopniowo, aż „uzbiera” wystarczająco dużo, by wydostać się z materiału. Jednak doświadczenia pokazały, że rzeczywistość jest bardziej subtelna. Emisja elektronów zachodzi tylko wtedy, gdy częstotliwość światła jest odpowiednio duża, niezależnie od natężenia, a samo zjawisko jest praktycznie natychmiastowe. To stało w sprzeczności z przewidywaniami czystej teorii falowej.
Podstawowa obserwacja eksperymentalna jest następująca: gdy na powierzchnię metalu skierujemy światło o częstotliwości poniżej pewnej granicznej wartości, nie zaobserwujemy żadnych elektronów, nawet jeśli będziemy bardzo mocno zwiększać natężenie promieniowania. Natomiast przy świetle o częstotliwości większej od tej wartości, elektrony są emitowane niemal od razu, a ich maksymalna energia kinetyczna rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości, a nie jasności wiązki. To właśnie ten zestaw faktów wymusił zmianę sposobu myślenia o naturze światła.
Einstein zaproponował opis w kategoriach kwantów światła – fotonów – z których każdy niesie określoną porcję energii równą iloczynowi stałej Plancka i częstotliwości promieniowania. W takiej interpretacji zderzenie pojedynczego fotonu z elektronem można rozumieć jak zderzenie cząstek. Jeżeli energia fotonu jest większa niż praca wyjścia danego materiału, to nadwyżka energii zostaje przekazana elektronowi w postaci energii kinetycznej, umożliwiając mu ucieczkę z powierzchni metalu.
Historyczne odkrycie i wkład Einsteina
Historia efektu fotoelektrycznego zaczyna się w drugiej połowie XIX wieku, kiedy to badano przewodnictwo elektryczne w gazach oraz wpływ światła na materiały. Pierwsze obserwacje podobnych zjawisk poczynili m.in. Heinrich Hertz i Wilhelm Hallwachs. Hertz zauważył, że iskra elektryczna pomiędzy elektrodami pojawia się łatwiej, gdy są one oświetlone promieniowaniem ultrafioletowym. Hallwachs z kolei zaobserwował, że naładowane ujemnie płytki metalowe mogą tracić swój ładunek pod wpływem światła. Nie było jednak jasne, jak dokładnie wyjaśnić te efekty.
Pod koniec XIX wieku fizyka klasyczna zdawała się być teorią niemal kompletną. Mechanika Newtona, teoria Maxwella opisująca elektromagnetyzm, termodynamika – wszystko to tworzyło spójny obraz świata. Dlatego napotkanie zjawiska, którego nie dało się pogodzić z tą strukturą, było naukowo intrygujące. Badania prowadzone na przełomie wieków – m.in. przez Lenarda – pokazały, że liczba wybitych elektronów zależy od natężenia światła, ale ich maksymalna energia kinetyczna zależy od częstotliwości, a nie od tego, jak silne jest oświetlenie. Co więcej, nie występowało żadne mierzalne opóźnienie między włączeniem oświetlenia a emisją elektronów.
Z punktu widzenia klasycznej teorii falowej światła należałoby oczekiwać, że energia zostanie rozłożona równomiernie na powierzchni metalu, a elektrony stopniowo będą „ładować się” tą energią. Przy słabym, ale wystarczająco długotrwałym oświetlaniu powinno dojść do emisji elektronów, nawet jeśli częstotliwość światła jest niska. Eksperymenty nie potwierdzały jednak takiego scenariusza. Mimo że natężenie można było zwiększać niemal dowolnie, poniżej pewnej częstotliwości zjawisko po prostu nie występowało.
Przełom nastąpił w 1905 roku, gdy Albert Einstein zastosował ideę kwantowania energii do pola elektromagnetycznego. Zaproponował, że promieniowanie nie jest emitowane i pochłaniane w sposób ciągły, lecz w postaci niepodzielnych kwantów – fotonów. Każdy taki foton niesie energię E = hν, gdzie h jest stałą Plancka, a ν częstotliwością. Gdy foton pada na elektron w metalu, przekazuje mu tę energię w jednym akcie. Część z niej zostaje zużyta na pokonanie sił wiążących elektron w metalu (praca wyjścia W), a pozostała część zamienia się w energię kinetyczną elektronu.
Ta prosta koncepcja pozwoliła wyjaśnić wszystkie zagadkowe obserwacje: istnienie częstotliwości progowej, natychmiastowość zjawiska, liniową zależność maksymalnej energii kinetycznej elektronów od częstotliwości światła oraz brak zależności tej energii od natężenia promieniowania. Za to wyjaśnienie Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w 1921 roku, co podkreśla wagę, jaką społeczność naukowa przywiązywała do rozwiązania tej zagadki.
Opis ilościowy: równanie Einsteina i wielkości fizyczne
Formalny opis efektu fotoelektrycznego opiera się na prostym, lecz głęboko znaczącym równaniu energetycznym. Zgodnie z interpretacją Einsteina energia pojedynczego fotonu wynosi E = hν. Część tej energii musi zostać wykorzystana na pokonanie oddziaływań wiążących elektron w metalu – jest to tzw. praca wyjścia, oznaczana zwykle symbolem W lub Φ. Jeżeli pozostanie jakakolwiek nadwyżka energii, zamienia się ona w energię kinetyczną wybitego elektronu.
Równanie Einsteina można zapisać jako:
hν = W + Ek(max)
gdzie h – stała Plancka, ν – częstotliwość padającego światła, W – praca wyjścia materiału, Ek(max) – maksymalna energia kinetyczna wybitych elektronów. Z równania natychmiast wynika częstotliwość progowa ν₀, poniżej której zjawisko nie zachodzi. Jest to ta częstotliwość, dla której energia fotonu jest równa pracy wyjścia, czyli hν₀ = W. Jeśli ν < ν₀, równanie nie ma sensu fizycznego w kontekście emisji elektronów, bo nie da się jednocześnie pokryć pracy wyjścia i dostarczyć jakąkolwiek dodatnią energię kinetyczną elektronowi.
W praktycznych pomiarach efektu fotoelektrycznego często nie mierzy się bezpośrednio energii kinetycznej, lecz napięcie hamujące potrzebne do zatrzymania najszybszych elektronów. Gdy pomiędzy katodą (z której wybite są elektrony) a anodą przyłożymy napięcie o takim znaku, aby hamowało ruch elektronów, to przy pewnej wartości napięcia prąd fotoelektryczny spada do zera. Energia kinetyczna elektronów maksymalnych jest wtedy równa pracy wykonanej przez pole elektryczne przeciwdziałające ich ruchowi.
Zależność liniowa między maksymalną energią kinetyczną a częstotliwością światła można wykreślić, co pozwala wyznaczyć zarówno pracę wyjścia badanego materiału, jak i wartość stałej Plancka. Wykres Ek(max) w funkcji ν jest linią prostą, której nachylenie odpowiada h, a przecięcie z osią częstotliwości – częstotliwości progowej. To jedno z ważnych doświadczeń potwierdzających kwantowy charakter promieniowania elektromagnetycznego.
Istotną wielkością w opisie ilościowym jest również prąd fotoelektryczny, czyli natężenie prądu wywołanego emisją elektronów. Prąd ten zależy głównie od natężenia promieniowania, ponieważ im więcej fotonów pada na powierzchnię metalu w jednostce czasu, tym więcej elektronów może zostać wybitych, o ile częstotliwość jest powyżej progu. Ta zależność liczby wybitych elektronów od natężenia, a ich maksymalnej energii od częstotliwości, jest jednym z kluczowych rozróżnień, pozwalających zrozumieć charakter zjawiska.
Często bada się również czasową dynamikę procesu. Eksperymenty wykazują, że w momencie włączenia promieniowania o częstotliwości powyżej progowej emisja elektronów następuje praktycznie natychmiast, w skalach czasowych tak krótkich, że nie da się ich pogodzić z koncepcją stopniowego gromadzenia energii przez pojedyncze elektrony. To bezpośrednio wspiera obraz jednorazowych „uderzeń” fotonów w elektrony, właściwy mechanice kwantowej.
Związek z mechaniką kwantową i dualizmem korpuskularno-falowym
Efekt fotoelektryczny odegrał kluczową rolę w zrozumieniu, że światło ma naturę zarówno falową, jak i cząstkową. Przed wprowadzeniem pojęcia fotonu dominował obraz światła jako fali elektromagnetycznej, doskonale opisanej równaniami Maxwella. Zjawiska takie jak interferencja, dyfrakcja czy polaryzacja potwierdzały falowy charakter promieniowania. Jednak zjawisko fotoelektryczne, wraz z innymi efektami, jak promieniowanie ciała doskonale czarnego czy zjawisko Comptona, wskazywało na konieczność uznania, że światło zachowuje się także jak strumień cząstek.
Dualizm korpuskularno-falowy oznacza, że w pewnych eksperymentach właściwości falowe dominują, a w innych – właściwości cząstkowe. W przypadku efektu fotoelektrycznego wygodniejsze i bardziej adekwatne jest użycie języka fotonów i zderzeń pojedynczych kwantów z elektronami. Natomiast w sytuacjach, w których analizuje się rozchodzenie się światła przez ośrodki optyczne lub zjawiska interferencyjne, obraz falowy jest bardziej naturalny. Mechanika kwantowa spaja te dwa podejścia w jedną, ogólniejszą teorię, w której cząstki i fale są przejawami tego samego obiektu kwantowego.
Efekt fotoelektryczny przyczynił się również do rozwoju koncepcji funkcji falowej oraz probabilistycznej interpretacji zjawisk na poziomie mikroskopowym. O ile w prostym opisie Einsteina można mówić o pojedynczym fotonie i pojedynczym elektronie, o tyle bardziej zaawansowane ujęcia uwzględniają strukturę stanów kwantowych w krysztale, pasma energetyczne oraz przekroje czynne opisujące prawdopodobieństwo zajścia danej interakcji. To prowadzi do głębszego zrozumienia, dlaczego praca wyjścia jest różna dla różnych materiałów oraz jak zmienia się ona w zależności od czystości, temperatury czy struktury powierzchni.
Współczesne ujęcie efektu fotoelektrycznego łączy mechanikę kwantową z teorią pasmową ciał stałych. Elektrony w metalu nie są opisywane jako niezależne cząstki krążące po orbitach, lecz jako fala elektronowa rozciągnięta w całym krysztale, zajmująca określone stany energetyczne w pasmach dozwolonych. Zjawisko emisji fotoelektronów można wówczas interpretować jako przejście elektronów z pasm związanych do stanów ciągłych o energii większej od poziomu próżni, czyli takich, które nie są już związane z materiałem i mogą swobodnie się od niego oddalić.
Klasyczny a fotoelektryczny model oddziaływania światła z materią
Porównanie podejścia klasycznego i kwantowego do oddziaływania światła z materią pokazuje, jak głęboka była zmiana paradygmatu naukowego. W klasycznej teorii fala elektromagnetyczna o natężeniu związanym z amplitudą pola elektrycznego przenosi energię rozłożoną ciągle w przestrzeni. Elektron zanurzony w takim polu powinien otrzymywać energię stopniowo, zależnie od czasu ekspozycji i natężenia fali.
Gdyby taki model był poprawny, należałoby oczekiwać kilku efektów: emisja elektronów powinna następować po pewnym czasie, zależnym od natężenia światła, a przy bardzo słabym oświetleniu czas ten mógłby być stosunkowo długi. Ponadto, przy odpowiednio dużym natężeniu, nawet światło o niskiej częstotliwości powinno w końcu doprowadzić do emisji elektronów, bo energia dostarczana w jednostce czasu byłaby wystarczająco duża.
Doświadczenia pokazały jednak, że: nie ma mierzalnego opóźnienia w emisji – elektrony są emitowane natychmiast po zaświeceniu; istnieje ściśle określona częstotliwość progowa, poniżej której zjawisko w ogóle nie zachodzi; maksymalna energia kinetyczna elektronów zależy wyłącznie od częstotliwości, a nie od natężenia promieniowania. Te trzy obserwacje stoją w sprzeczności z intuicją wynikającą z czysto falowego modelu oddziaływania.
Model fotoelektryczny w ujęciu kwantowym reinterpretował te wyniki w sposób spójny: światło jest zbiorem fotonów, każdy o określonej energii; emisja elektronów jest wynikiem indywidualnych zderzeń fotonów z elektronami; energia potrzebna na wyrwanie każdego elektronu jest z góry ustalona przez właściwości materiału. Jeśli energia fotonu jest zbyt mała, nie ma możliwości „dozbierania” brakującej części w ramach jednego aktu, ponieważ elektron po przyjęciu porcji energii szybko ją oddaje w postaci drgań sieci krystalicznej lub innych procesów relaksacyjnych.
Różnica pomiędzy klasycznym a kwantowym opisem odzwierciedla również ogólniejszą różnicę w postrzeganiu natury. W świecie klasycznym wielkości fizyczne zmieniają się płynnie i mogą przyjmować dowolne wartości w pewnych zakresach. W świecie kwantowym wiele wielkości, jak energia, przyjmuje tylko określone, dyskretne wartości – są one „skwantowane”. Efekt fotoelektryczny jest jednym z najprostszych i jednocześnie najbardziej spektakularnych dowodów na realność tej dyskretności w mikroskali.
Rodzaje i odmiany efektu fotoelektrycznego
Choć w podręcznikach szkolnych najczęściej omawia się zjawisko emisji elektronów z powierzchni metalu oświetlonego światłem, w rzeczywistości pod pojęciem efektu fotoelektrycznego kryje się kilka pokrewnych procesów. Można wyróżnić m.in. fotoemisję zewnętrzną, efekt fotoelektryczny wewnętrzny oraz zjawiska pokrewne, takie jak fotojonizacja w gazach czy wydzielanie ładunku w półprzewodnikach.
Fotoemisja zewnętrzna to klasyczna wersja: elektrony opuszczają materiał i przechodzą do próżni lub gazu. Jest ona kluczowa w konstruowaniu fotokomórek próżniowych czy fotopowielaczy. W tym przypadku istotna jest nie tylko praca wyjścia, lecz także własności powierzchni – czystość, struktura krystaliczna, obecność warstw tlenkowych. Niewielkie zanieczyszczenie może zmienić wartość pracy wyjścia, a tym samym częstotliwość progową dla danego metalu.
Efekt fotoelektryczny wewnętrzny zachodzi w półprzewodnikach i izolatorach, gdzie padające promieniowanie niekoniecznie wybija elektrony poza materiał, ale powoduje przejścia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. W rezultacie rośnie koncentracja swobodnych nośników ładunku, co prowadzi do zwiększenia przewodnictwa elektrycznego. To zjawisko jest podstawą działania wielu detektorów światła i fotodiod, a także ogniw słonecznych.
Ponadto efekt fotoelektryczny można rozpatrywać w kontekście jonizacji gazów. Jeśli promieniowanie o odpowiednio dużej energii fotonów pada na atomy lub cząsteczki w gazie, może wyrwać z nich elektrony, tworząc jony. Zjawisko to ma znaczenie m.in. w fizyce atmosfery, w technice próżniowej czy w budowie liczników promieniowania jonizującego. Choć mechanizmy mikroskopowe mogą się różnić, we wszystkich tych przypadkach kluczową rolę odgrywa kwantowy charakter energii promieniowania.
Zastosowania technologiczne i inżynieryjne
Efekt fotoelektryczny nie jest jedynie ciekawostką teoretyczną – ma on fundamentalne znaczenie dla wielu obszarów technologii. Jednym z najwcześniejszych zastosowań były fotokomórki, czyli elementy, które przekształcają padające promieniowanie w sygnał elektryczny. Fotokomórki próżniowe wykorzystujące zjawisko emisji fotoelektronów z powierzchni katody były stosowane m.in. w automatyce, systemach sterowania oświetleniem ulicznym, licznikach czy fotometrach.
Rozwinięciem tej idei są fotopowielacze, w których pojedyncze elektrony wybite z fotokatody są przyspieszane w polu elektrycznym i kierowane na kolejne elektrody – dynody. Każde uderzenie powoduje emisję wtórnych elektronów, co prowadzi do kaskadowego wzmocnienia sygnału. Dzięki temu bardzo niewielka liczba fotonów może zostać wykryta jako wyraźny prąd elektryczny. Fotopowielacze są używane m.in. w badaniach fizyki cząstek, w medycynie nuklearnej czy w detekcji bardzo słabego promieniowania optycznego.
Innym wielkim obszarem zastosowań jest fotowoltaika, w której efekt fotoelektryczny wewnętrzny w półprzewodnikach jest wykorzystywany do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Ogniwa słoneczne, zbudowane najczęściej z krzemu lub innych materiałów półprzewodnikowych, są projektowane w taki sposób, aby możliwie efektywnie absorbować fotony i generować pary elektron–dziura, które następnie są rozdzielane przez wbudowane pole elektryczne w złączu p-n, co prowadzi do powstania użytecznego napięcia i prądu.
Efekt fotoelektryczny znajduje zastosowanie również w licznych czujnikach. Fotodiody, fototranzystory, matryce CCD i CMOS w aparatach cyfrowych czy kamerach telewizyjnych bazują na przemianie energii promieniowania na sygnał elektryczny w strukturach półprzewodnikowych. W tych urządzeniach padające fotony powodują powstawanie ładunku w określonych obszarach materiału, a precyzyjne odczytywanie tego ładunku pozwala odtworzyć obraz lub zmierzyć natężenie światła.
Nowoczesne zastosowania obejmują również techniki badania powierzchni i struktury elektronowej materiałów. Spektroskopia fotoelektronowa, w tym fotoemisja rentgenowska (XPS) i ultrafioletowa (UPS), wykorzystuje zależność energii wybitych elektronów od energii fotonów do analizy stanów elektronowych w materiałach. Dzięki temu można badać skład chemiczny, strukturę pasmową i właściwości elektronowe zarówno metali, jak i półprzewodników czy związków chemicznych o znaczeniu technologicznym.
Wreszcie, efekt fotoelektryczny ma znaczenie w rozwoju nowych źródeł elektronów, np. w akceleratorach cząstek czy w zaawansowanych mikroskopach elektronowych. Fotokatody mogą emitować wiązki elektronowe o ściśle kontrolowanych parametrach czasowych, co jest kluczowe w badaniach z ultrakrótkimi impulsami, gdzie rozdzielczość czasowa sięga femtosekund.
Znaczenie filozoficzne i poznawcze
Efekt fotoelektryczny jest przykładem zjawiska, które zmusiło fizyków do radykalnej zmiany poglądów na temat natury rzeczywistości. Intuicje wykształcone na gruncie fizyki klasycznej – takie jak ciągłość energii czy jednoznaczność trajektorii cząstek – okazały się niewystarczające, by opisać procesy zachodzące w skali mikroskopowej. Wprowadzenie pojęcia fotonu oraz kwantowania energii doprowadziło do pytania o to, w jakim sensie światło jest „falą” lub „cząstką” i czy takie kategorie w ogóle są adekwatne.
Mechanika kwantowa, której jednym z kamieni węgielnych jest właśnie wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego, wprowadziła pojęcie prawdopodobieństwa jako elementu fundamentalnego, a nie tylko wyraz naszej niewiedzy. W kontekście fotoemisji oznacza to, że nie da się z góry określić, kiedy dokładnie konkretny atom lub elektron zareaguje na padające promieniowanie – można jedynie określić prawdopodobieństwo zajścia takiego zdarzenia w jednostce czasu. To przesunięcie od deterministycznego do probabilistycznego opisu jest jednym z największych wyzwań filozoficznych nowoczesnej fizyki.
Efekt fotoelektryczny pokazuje też, jak bardzo pojęcia fizyczne są powiązane z metodami pomiaru. To, że światło przejawia właściwości cząstkowe, wynika z rodzaju eksperymentu, jaki przeprowadzamy. W doświadczeniu fotoelektrycznym mierzymy emisję dyskretnych elektronów wybitych z powierzchni, więc naturalnym językiem opisu są zdarzenia cząstkowe. W eksperymentach interferencyjnych z dwiema szczelinami, w których mierzymy rozkład natężenia na ekranie, dominują cechy falowe. Ta zależność własności obserwowanych od konfiguracji eksperymentu inspiruje rozważania na temat roli obserwatora i aparatury pomiarowej w teorii fizycznej.
FAQ: najczęściej zadawane pytania
Czym dokładnie jest efekt fotoelektryczny i dlaczego jest ważny?
Efekt fotoelektryczny to zjawisko emisji elektronów z materiału pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego, najczęściej światła. Zachodzi, gdy energia pojedynczego fotonu przekracza pracę wyjścia materiału. Jest ważny, bo wymagał wprowadzenia pojęcia fotonu i kwantowania energii, co przyczyniło się do narodzin mechaniki kwantowej. Z praktycznego punktu widzenia stanowi podstawę działania fotokomórek, fotodiod, ogniw słonecznych i wielu detektorów promieniowania. Dzięki niemu możliwa była rewolucja w elektronice i energetyce.
Jak eksperymenty z efektem fotoelektrycznym obaliły klasyczną teorię światła?
Eksperymenty wykazały trzy fakty sprzeczne z klasycznym opisem falowym: istnienie częstotliwości progowej, natychmiastowość emisji elektronów oraz zależność ich maksymalnej energii kinetycznej od częstotliwości, a nie od natężenia światła. W klasycznym modelu fala powinna dostarczać energię stopniowo, więc nawet światło o niskiej częstotliwości, lecz dużym natężeniu, w końcu wyrwałoby elektrony – co nie jest obserwowane. Wyjaśnienie przez kwanty światła, fotony, okazało się zgodne z wynikami pomiarów i wymusiło modyfikację obrazu natury światła.
Czym jest praca wyjścia i od czego zależy jej wartość?
Praca wyjścia to minimalna energia potrzebna, aby elektron mógł opuścić powierzchnię danego materiału i przejść do stanu swobodnego. Jej wartość zależy od struktury elektronowej, rodzaju wiązań chemicznych i szczegółów budowy pasmowej ciała stałego. Różne metale mają różne prace wyjścia, co przekłada się na różne częstotliwości progowe. Wpływ mają również czystość powierzchni, obecność tlenków, adsorbowanych cząsteczek oraz temperatura. Zmieniając te parametry, można w pewnym zakresie modyfikować próg fotoemisji i dostosowywać właściwości fotokatod do konkretnych zastosowań.
Na czym polega różnica między efektem fotoelektrycznym zewnętrznym a wewnętrznym?
W efekcie fotoelektrycznym zewnętrznym elektrony są całkowicie wyrywane z materiału i opuszczają jego powierzchnię, przechodząc do próżni lub gazu. Zjawisko to jest wykorzystywane m.in. w fotokomórkach próżniowych i fotopowielaczach. Natomiast w efekcie wewnętrznym, występującym zwykle w półprzewodnikach, fotony wzbudzają elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, ale elektrony pozostają wewnątrz materiału. Skutkiem jest wzrost przewodnictwa elektrycznego i możliwość generacji prądu w strukturach takich jak ogniwa słoneczne czy fotodiody, gdzie odpowiednio ukształtowane pola elektryczne rozdzielają nośniki ładunku.
Jak efekt fotoelektryczny jest wykorzystywany w ogniwach słonecznych?
Ogniwa słoneczne opierają się na wewnętrznym efekcie fotoelektrycznym w półprzewodnikach, najczęściej w krzemie. Padające fotony o energii większej niż przerwa energetyczna materiału wzbudzają elektrony z pasma walencyjnego do przewodnictwa, tworząc pary elektron–dziura. W złączu p-n istnieje wbudowane pole elektryczne, które rozdziela te nośniki: elektrony są „ściągane” w stronę warstwy n, dziury – w stronę warstwy p. Powstaje różnica potencjałów, a po podłączeniu zewnętrznego obwodu zaczyna płynąć prąd. Sprawność zależy m.in. od dopasowania widma promieniowania, jakości materiału i strat rekombinacyjnych.
