ماذا يعني تأثير الكهروضوئي؟

التأثير الذي يتم فيه تحويل طاقة الضوء إلى طاقة كهربائية في بعض المواد شبه الموصلة يعرف باسم التاثير الكهروضوئي. هذا التحويل يحول طاقة الضوء مباشرة إلى كهرباء دون أي عملية وسيطة. لتقديم توضيح عن التاثير الكهروضوئي لنفترض قطعة من البلور السيليكوني.
الجزء العلوي من هذه القطعة ممزوج بشوائب متبرعة والجزء السفلي ممزوج بشوائب مقبولة. لذلك، فإن تركيز الإلكترونات الحرة أعلى بكثير في المنطقة n-نوع مقارنة بالمنطقة p-نوع وتركيز الثقوب أعلى بكثير في المنطقة p-نوع مقارنة بالمنطقة n-نوع من القطعة. سيكون هناك تدرج تركيز عالي للـ ناقلات الشحن عبر خط الوصل في القطعة. تسعى الإلكترونات الحرة من المنطقة n-نوع للانتشار إلى المنطقة p-نوع والثقوب في المنطقة p-نوع تسعى للانتشار إلى المنطقة n-نوع في البلورة. هذا لأن الناقلات الشحن بطبيعتها تميل دائماً للانتشار من منطقة التركيز العالي إلى منطقة التركيز المنخفض. كل إلكترون حر من المنطقة n-نوع عند انتشاره إلى المنطقة p-نوع بسبب الانتشار، يترك خلفه أيوناً موجباً متبرعاً في المنطقة n-نوع.

وهذا لأن كل إلكترون حر في المنطقة n-نوع يتم إسهامه بواسطة ذرة متبرعة محايدة. وبالمثل، عندما ينتشر ثقب من المنطقة p-نوع إلى المنطقة n-نوع، فإنه يترك خلفه أيوناً سالباً مقبولاً في المنطقة p-نوع.

وبما أن كل ثقب يتم إسهامه بواسطة ذرة مقبولة في المنطقة p-نوع. كلا هذين الأيونين، أي الأيونات المتبرعة والأيونات المقبولة، غير قابلة للحركة ومثبتة في مواقعها في هيكل البلورة. من البديهي أن الإلكترونات الحرة من المنطقة n-نوع التي تكون أقرب إلى المنطقة p-نوع تنتشر أولًا في المنطقة p-نوع وبالتالي تخلق طبقة من الأيونات الموجبة الثابتة في المنطقة n-نوع المجاورة للوصل.

وبالمثل، الثقوب الحرة من المنطقة p-نوع التي تكون أقرب إلى المنطقة n-نوع تنتشر أولًا في المنطقة n-نوع وبالتالي تخلق طبقة من الأيونات السالبة الثابتة في المنطقة p-نوع المجاورة للوصل. هذه الطبقات المركزة من الأيونات الموجبة والسالبة تخلق حقل كهربائي عبر الوصل والذي يكون موجهًا من الموجب إلى السالب، أي من الجانب n-نوع إلى الجانب p-نوع. الآن بسبب وجود هذا الحقل الكهربائي، تواجه الناقلات الشحن في البلورة قوة للانجراف حسب اتجاه هذا الحقل الكهربائي. كما نعلم أن الشحنات الموجبة دائمًا تنجرف في اتجاه الحقل الكهربائي، وبالتالي فإن الثقوب المشحونة موجبة (إن وجدت) في المنطقة n-نوع تنجرف الآن إلى الجانب p-نوع من الوصل.

من ناحية أخرى، الإلكترونات المشحونة سالبة في المنطقة p-نوع (إن وجدت) تنجرف إلى المنطقة n-نوع حيث أن الشحنات السالبة تنجرف دائمًا في الاتجاه المعاكس لاتجاه الحقل الكهربائي. عبر الوصل p-n يستمر الانتشار والانجراف للناقلات الشحن. الانتشار للـ ناقلات الشحن يخلق ويزيد من سمك الحاجز الكهربائي عبر الوصل والانجراف للناقلات الشحن يقلل من سمك الحاجز. في حالة التوازن الحراري الطبيعي وفي غياب أي قوة خارجية، يكون الانتشار للناقلات الشحن مساوٍ ومعاكس للانجراف للناقلات الشحن وبالتالي يبقى سمك الحاجز الكهربائي ثابتًا.

الآن تم تعريض السطح n-نوع من قطعة البلورة السيليكونية للشمس. تم امتصاص بعض الفوتونات بواسطة قطعة السيليكون. بعض الفوتونات الماصة ستكون ذات طاقة أكبر من الفجوة الطاقية بين الحزمة القيمية والحزمة الموصلة للفوتونات القيمية الذرات السيليكونية. بالتالي، سيتم تنشيط بعض الإلكترونات القيمية في الرابطة الكوفالنتية وتقوم بالقفز خارج الرابطة وترك ثقب فيها. بهذه الطريقة يتم إنتاج أزواج الإلكترون-الثقب في البلورة بسبب الضوء المستقبَل. الثقوب من أزواج الإلكترون-الثقب المولدة بواسطة الضوء في الجانب n-نوع لديها احتمالية كبيرة لإعادة التجميع مع الإلكترونات الهائلة (الناقلات الرئيسية). ولذلك، تم تصميم الخلية الشمسية بحيث لن تتمكن الإلكترونات أو الثقوب المولدة بواسطة الضوء من الحصول على فرص كافية لإعادة التجميع مع الناقلات الرئيسية.

تم تعمد دمجه شبه الموصل (السيليكون) بحيث يتشكل الوصل p-n في مكان قريب جداً من السطح المعرض للخلية. إذا تم إنشاء زوج إلكترون-ثقب ضمن طول الانتشار لأقلية الناقلات من الوصل، فستنجرف الإلكترونات من زوج الإلكترون-ثقب نحو المنطقة n-نوع والثقب من الزوج سيُكنس إلى المنطقة p-نوع بسبب تأثير الحقل الكهربائي للوصل وبالتالي، سيكون له مساهمة في تدفق التيار في الدائرة الخارجية.

بيان: احترم الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل للحذف.