Zonska teorija

Diskretni energetski nivoi postoje isključivo kod izolovanih atoma. Ukoliko su atomi povezani u čvrstu strukturu dolazi do manjeg ili većeg preklapanja njihovih energetskih nivoa. Ovo naročito važi za periferne energetske nivoe. Kako u kvantnoj mehanici postoji princip isključivosti (Paulijev princip) koji ne dozvoljava da u okviru jedinstvenog kvantnog sistema postoje dva elektrona koji imaju identična kvantna stanja, dolazi do cepanja energetskih nivoa u podnivoe. Ukoliko kvantni sistem (čvrsti komad supstance) sadrži mnogo atoma, energetski nivoi se cepaju u ogroman broj podnivoa, te je energetska razlika između susednih podnivoa veoma mala. Energetski nivo se tada ponaša kao energetska zona unutar koje se elektroni kreću, uz mogućnost prelaska sa jednog na drugi energetski podnivo. Razmak između energetskih zona se sužava i predstavlja zabranjenu zonu u čvrstoj supstanci, odnosno zonu u kojoj nema elektrona. Pretposlednja zona, u kojoj se nalaze valentni elektroni, koji učestvuju u formiranju hemijskih veza, se naziva valentna zona dok se naredna zona, koja sadrži obilje slobodnih podnivoa, naziva provodna zona. Elektroni koji dospeju u provodnu zonu se mogu slobodno kretati u okviru celog komada čvrste supstance. Veličina zabranjene zone između valentne i provodne zone određuje električna svojstva supstance.

Provodna i valentna zona se preklapaju – metal. Elektroni slobodno prelaze iz valentne u provodnu zonu i provode struju.

Provodnost metala se najlakše, sa stanovišta kvantne fizike može objasniti zonskom teorijom čvrstih tela. Zbog preklapanja valentne i provodne zone, periferni elektroni metala imaju veliki izbor slobodnih energetskih podnivoa, na malom rastojanju, između kojih mogu da vrše prelaze i na taj način se kreću kroz ceo komad čvrste supstance. Ovi elektroni više ne “pripadaju” određenom atomu već se mogu slobodno kretati kroz ceo komad supstance. Ukoliko se komad metala nalazi u električnom polju, elektroni se kolektivno kreću ka pozitivnom potencijalu, što predstavlja električnu struju.

Velika zabranjena zona sprečava prelazak elektrona iz valentne u provodnu zonu – izolatori. 

Kod izolatora je valentna zona popunjena elektronima, te ne postoje slobodni energetski podnivoi između kojih bi elektroni mogli da vrše prelaz, a razmak do provodne zone je preveliki da bi na sobnoj temperaturi elektroni stekli dovoljnu energiju da u nju preskoče. Otuda su svi elektroni izolatora vezani za sopstveni atom i ne učestvuju u provođenju struje, te izolatori i ne provode struju.

Mala širina zabranjene zone, između valentne i provodne zone – poluprovodnici. Omogućuje da elektroni pod posebnim okolnostima imaju dovoljno energije da pređu iz valentne u provodnu zonu.

Poluprovodnici su posebni materijali IV-te grupe periodnog sistema elemenata. Kod kojih je zabranjena zona dovoljno velika da spreči spontani prelazak elektrona iz valentne u provodnu zonu, a opet dovoljno mala da elektroni, uz mali dodatak energije to ipak mogu da učine. Taj mali iznos energije elektroni mogu steći na više načina – termičkim putem ili apsorpcijom fotona. Prelaskom u provodnu zonu elektroni učestvuju u provođenju struje. Posebnom konstrukcijom poluprovodnika (pogledati P i N tipove poluprovodnika, kao i PN spoj) elektroni u provodnoj zoni se kreću uvek u istom smeru, kolektivno i bez prisustva spoljašnjeg električnog polja. Na taj način elektroni poluprovodnika koji su dospeli u provodnu zonu generišu električnu struju, odnosno takva konstrukcija se može koristiti kao izvor električne struje.

Solarni paneli

Osobine poluprovodnika iskorišćene su za konstrukciju solarnih panela, koji energiju sunca (svetlosti) pretvaraju u električnu energiju, generišući električnu struju. U osnovi modernih solarnih panela nalazi se fotonaponski efekat. Kao najčešći izbor poluprovodnika koristi se silicijum (Si). Pod dejstvom svetlosti, elektroni iz valentne zone silicijuma preskaču u provodnu zonu, a zatim se kolektivno kreću u istom smeru – električna struja.

Kako je širina zabranjene zone silicijuma određena i ista za sve atome silicijuma u panelu, samo mali broj fotona, određene talasne dužine imaju potrebnu energiju da prebace valentni elektron silicijuma u provodnu zonu. Ostatak spektra ostaje neiskorišćen, te je efikasnost solarnih panel limitirana. Ovom problemu se može doskočiti proizvodnjom panela koji su kombinacije više poluprovodničkih materijala, sa različitim širinama zabranjene zone, čime se iskorišćava širi deo spektra sunčeve svetlosti za generisanje električne struje. Ovakvi paneli (multi junction) su efikasniji, ali i skuplji za proizvodnju, te je cena proizvodnje električne struje po kWh veća.

Kvantne tačke (Quantum Dots)

Razvoj nanotehnologije u poslednjih par decenija otkrio je da sistemi, čije dimenzije se nalaze između dimenzija atoma, sa jedne strane i makroskopskih objekata sa druge strane, ispoljavaju “čudne” osobine, koje su posledica mešanja kvantne mehanike i klasične fizike. To su uglavnom objekti čije se dimenzije nalaze u rasponu od 1 do 100 nanometara. Kod ovakvih kristala je ustanovljeno da širina energetskih zona zavisi od dimenzija kristala. Sa povećanjem kristala povećavaju se dimenzije energetskih zona. Kombinacijom kristala različitih dimenzija moguće je “naštimovati” sistem da gotovo svaka talasna dužina svetlosti izaziva elektronski prelaz u provodnu zonu. Na taj način se povećava efikasnost solarnih panela, dok se istovremeno pojeftinjuje proizvodnja istih, te je cena proizvedena električne struje po kWh manja.

Više o solarnim panelima možete pročitati ovde

Osim što se mogu “naštimovati” da ih pobuđuje određena talasna dužina, kvantne tačke, u zavisnosti od dimenzija mogu emitovati tačno određenu talasnu dužinu, odnosno boju. Slika prikazuje različite boje koje emituju kvantne tačke u koloidnom rastvoru, u zavisnosti od dimenzija kristala. Ova tehnologija polako nalazi primenu u izradi LCD panela koji bi radili bez pozadinskog osvetljenja i pružali daleko uverljiviju gamu boja.

Bogatstvo boja kvantnih tačaka.