Co je fotovoltaický efekt?

Efekt, při kterém se v určitých polovodičových materiálech energie světla převede na elektrickou energii, se nazývá fotovoltaický efekt. Tento proces přímo převádí energii světla na elektrickou energii bez jakéhokoli mezistavu. Pro demonstraci fotovoltaického efektu předpokládejme blok křemíkového krystalu.
Horní část tohoto bloku je dotována dárcovskými impurity a spodní část akceptorovými impurity. Proto je koncentrace volných elektronů v n-typové oblasti mnohem vyšší než v p-typové oblasti a koncentrace děr v p-typové oblasti mnohem vyšší než v n-typové oblasti bloku. Vznikne velký koncentrační gradient nábojových nosičů napříč spojkou bloku. Volné elektrony z n-typové oblasti se snaží difundovat do p-typové oblasti a díry v p-typové oblasti se snaží difundovat do n-typové oblasti v krystalu. To proto, že nábojoví nosiči podle své povahy vždy tendují k difuzi z oblasti s vysokou koncentrací do oblasti s nízkou koncentrací. Každý volný elektron z n-typové oblasti, který se díky difuzi dostane do p-typové oblasti, zanechá za sebou pozitivní dárcovský ion v n-typové oblasti.

To proto, že každý volný elektron v n-typové oblasti pochází od jednoho neutrálního dárcovského atomu. Podobně, když se díra difunduje z p-typové oblasti do n-typové oblasti, zanechá za sebou negativní akceptorový ion v p-typové oblasti.

Protože každá díra v p-typové oblasti pochází od jednoho akceptorového atomu. Oba tyto ionty, tedy dárcovské i akceptorové, jsou nepohyblivé a pevně umístěné ve struktuře krystalu. Je zbytečné říkat, že ty volné elektrony z n-typové oblasti, které jsou nejblíže k p-typové oblasti, se nejdříve difundují do p-typové oblasti a tím vytvoří vrstvu pozitivních nepohyblivých dárcovských iontů v n-typové oblasti vedle spojky.

Podobně se ty volné díry z p-typové oblasti, které jsou nejblíže k n-typové oblasti, nejdříve difundují do n-typové oblasti a tím vytvoří vrstvu negativních nepohyblivých akceptorových iontů v p-typové oblasti vedle spojky. Tyto pozitivní a negativní ionty vytvářejí elektrické pole napříč spojkou, které je směřováno od pozitivního ke negativnímu, tedy od n-typové strany k p-typové straně. Nyní, díky přítomnosti tohoto elektrického pole, zkušenost nábojových nosičů v krystalu sílu k driftu podle směru tohoto elektrického pole. Jak víme, pozitivní náboj vždy driftní ve směru elektrického pole, takže pozitivně nabité díry (pokud existují) v n-typové oblasti teď driftní k p-straně spojky.

Naopak, negativně nabité elektrony v p-typové oblasti (pokud existují) driftní do n-oblasti, protože negativní náboj vždy driftní opačným směrem než elektrické pole. Napříč p-n spojkou pokračuje difuze a drift nábojových nosičů. Difuze nábojových nosičů vytváří a zvyšuje tloušťku potenciální bariéry napříč spojkou a drift nábojových nosičů snižuje tloušťku bariéry. V normálním tepelném rovnovážném stavu a v nepřítomnosti jakékoli externí síly je difuze nábojových nosičů rovna a opačná driftu nábojových nosičů, takže tloušťka potenciální bariéry zůstává pevně daná.

Nyní je n-typová plocha křemíkového krystalového bloku vystavena slunečnímu světlu. Některé fotony jsou absorbovány křemíkovým blokem. Některé z absorbovaných fotonů budou mít energii vyšší než energetická mez mezi valenční a vedenou pásmem valenčních elektronů křemíkových atomů. Proto některé valenční elektrony v kovalentní vazbě budou vzrušeny a vyskočí z vazby, zanechávají za sebou díru v vazbě. Tímto způsobem jsou generovány elektron-dírové páry v krystalu díky dopadajícímu světlu. Díry z těchto světlem generovaných elektron-dírových párů na n-typové straně mají dostatečnou pravděpodobnost rekombinace s obrovským množstvím elektronů (majoritními nosiči). Proto je solární článek navržen tak, aby světlem generované elektrony nebo díry neměly dostatečné šance na rekombinaci s majoritními nosiči.

Polovodič (křemík) je tak dotován, že p-n spojka vzniká velmi blízko expozované ploše článku. Pokud je elektron-dírová dvojice vytvořena uvnitř jednoho menšinového nosiče difuzní délky spojky, elektrony z elektron-dírové dvojice se budou driftnout směrem k n-typové oblasti a díra z dvojice bude unášena do p-oblasti vlivem elektrického pole spojky a tedy v průměru přispěje k toku proudů v externím obvodu.

Prohlášení: Respektujte původ, kvalitní články jsou hodné sdílení, pokud dojde k porušení autorských práv, prosím, kontaktujte nás pro jejich odstranění.