Какво е фотovoltaичен ефект?

Ефектът, при който енергията на светлината се преобразува в електрическа енергия в определени полупроводни материали, е известен като фотоелектричен ефект. Това директно преобразува енергията на светлината в електричество без никакъв промеждутъчен процес. За демонстрация на фотоелектричния ефект нека предположим блок от кристална силиций.
Горната част на този блок е допирана с дарителни примеси, а долната част - с акцепторни примеси. Следователно концентрацията на свободни електрони е много по-висока в n-областта в сравнение с p-областта, а концентрацията на дупки е много по-висока в p-областта в сравнение с n-областта на блока. Ще има висок градиент на концентрацията на носители на заряд по линията на спайката на блока. Свободните електрони от n-областта се опитват да дифундират в p-областта, а дупките в p-областта се опитват да дифундират в n-областта в кристала. Това е така, защото носителите на заряд по природа винаги се стремят да дифундират от област с висока концентрация към област с ниска концентрация. Всеки свободен електрон от n-областта, когато дифундира в p-областта, оставя положителен дарителен ион зад себе си в n-областта.

Това е така, защото всеки свободен електрон в n-областта е предоставен от един неутрален дарителен атом. По същия начин, когато дупка се дифундира от p-областта към n-областта, тя оставя отрицателен акцепторен ион зад себе си в p-областта.

Тъй като всяка дупка е предоставена от един акцепторен атом в p-областта. И двата иона, тоест дарителните иони и акцепторните иони, са неподвижни и фиксирани на своето място в кристалната структура. Не е нужно да се казва, че свободните електрони от n-областта, които са най-близо до p-областта, първо дифундират в p-областта, следователно създават слой от положителни неподвижни дарителни иони в n-областта, съседна на спайката.

По същия начин свободните дупки от p-областта, които са най-близо до n-областта, първо дифундират в n-областта, следователно създават слой от отрицателни неподвижни акцепторни иони в p-областта, съседна на спайката. Тези положителни и отрицателни ионни концентрации създават електрично поле през спайката, което е насочено от положително към отрицателно, тоест от n-областта към p-областта. Сега, поради наличието на това електрично поле, носителите на заряд в кристала изпитват сила, която ги кара да дрейфуват в посока на това електрично поле. Както знаем, положителният заряд винаги дрейфува в посока на електричното поле, следователно положително заредените дупки (ако има такива) в n-областта сега дрейфуват към p-страничната част на спайката.

От друга страна, отрицателно заредените електрони в p-областта (ако има такива) дрейфуват към n-областта, тъй като отрицателният заряд винаги дрейфува против посоката на електричното поле. През p-n спайка дифузията и дрейфът на носителите на заряд продължават. Дифузията на носители на заряд създава и увеличава дебелината на потенциалната бариера през спайката, а дрейфът на носителите на заряд намалява дебелината на барьерата. В нормално термично равновесие и при липса на всякаква външна сила, дифузията на носителите на заряд е равна и противоположна на дрейфа на носителите на заряд, следователно дебелината на потенциалната бариера остава фиксирана.

Сега n-повърхността на блока от кристална силиций е изложена на слънчевата светлина. Някои от фотоните са абсорбирани от блока силиций. Някои от абсорбираните фотони ще имат енергия, по-голяма от енергийната разлика между валентна и проводна зона на валентните електрони на атомите силиций. Следователно, някои от валентните електрони в ковалентната връзка ще бъдат възбудени и ще скочат извън връзката, оставяйки дупка в връзката. По този начин в кристала се генерират електрон-дупкови двойки поради инцидентната светлина. Дупките от тези, генериращи светлината, електрон-дупкови двойки в n-областта имат достатъчна вероятност за рекомбинация с огромен брой електрони (основни носители). Следователно, сolar cell е проектирана така, че светлинно генерираните електрони или дупки няма да получат достатъчно възможности за рекомбинация с основните носители.

Полупроводникът (силиций) е допиран така, че p-n спайката се формира в много близка близост до изложената повърхност на клетката. Ако електрон-дупкова двойка е създадена в рамките на една дължина на дифузия на малцинствените носители, електроните от електрон-дупковата двойка ще дрейфуват към n-областта, а дупката от двойката ще бъде изметена към p-областта поради влиянието на електричното поле на спайката и следователно средно ще допринесе за ток във външен цикъл.

Изявление: Уважавайте оригинала, добри статии заслужават споделяне, ако има нарушение на правата, моля, се обратете за изтриване.