Hvad er fotovoltaisk effekt?

Effekten, der omdanner lysenergi til elektrisk energi i visse halvledermaterialer, kaldes fotovoltaisk effekt. Denne konverterer direkte lysenergi til elektricitet uden nogen mellemproces. For at demonstrere fotovoltaisk effekt, antager vi en blok siliciumkrystal.
Den øverste del af denne blok er døbt med donorforureninger, og den nedre del er døbt med acceptorforureninger. Derfor er koncentrationen af frie elektroner betydeligt højere i n-området sammenlignet med p-området, og koncentrationen af huller er betydeligt højere i p-området sammenlignet med n-området i blokken. Der vil være en høj koncentrationsgradient af ladningsbærere over forbindelseslinjen i blokken. Frie elektroner fra n-området forsøger at diffuse til p-området, og hullerne i p-området forsøger at diffuse til n-området i krystallet. Dette skyldes, at ladningsbærere af natur altid tendere til at diffuse fra et område med høj koncentration til et område med lav koncentration. Når hvert frit elektron fra n-området kommer til p-området på grund af diffusion, efterlader det et positivt donorion bagved sig i n-området.

Dette skyldes, at hvert frit elektron i n-området bidrager fra et neutralt donoratom. Ligeledes, når et hul diffuse fra p-området til n-området, efterlader det et negativt acceptorion bagved sig i p-området.

Eftersom hvert hul bidrager fra et acceptoratom i p-området. Begge disse ioner, dvs. donorioner og acceptorioner, er uflydende og fastgjort på deres position i krystalstrukturerne. Det er selvfølgeligt, at de frie elektroner i n-området, som er tættest på p-området, først diffuse til p-området og følgermed skaber et lag af positive uflydende donorioner i n-området tæt ved forbindelsen.

På samme måde diffuse de frie huller i p-området, som er tættest på n-området, først til n-området og følge med skabe et lag af negative uflydende acceptorioner i p-området tæt ved forbindelsen. Disse positive og negative ionlag skaber et elektrisk felt over forbindelsen, der er rettet fra positivt til negativt, altså fra n-siden til p-siden. På grund af dette elektriske felt oplever ladningsbærerne i krystallet en kraft til at drifte i henhold til retningen af dette elektriske felt. Som vi ved, drifter positiv ladning altid i retningen af elektrisk felt, så de positivt ladte huller (hvis der er nogen) i n-området nu drifter til p-siden af forbindelsen.

På den anden side, drifter de negativt ladte elektroner i p-området (hvis der er nogen) til n-området, da negativ ladning altid drifter modsat retningen af elektrisk felt. Over en p-n-forbindelse fortsætter diffusion og drift af ladningsbærere. Diffusion af ladningsbærere skaber og øger tykkelsen af potentielbarrieren over forbindelsen, og drift af ladningsbærere reducerer tykkelsen af barrieren. Under normale termiske ligevægtsforhold og i fravær af eksterne krafter er diffusionen af ladningsbærere lig og modsat drift af ladningsbærere, så tykkelsen af potentielbarrieren forbliver fast.

Nu er n-typens overflade af siliciumkrystalblokken udsat for sollys. Nogle af fotonerne absorberes af siliciumblokken. Nogle af de absorberede fotoner har mere energi end energigabet mellem valense- og ledbandsvalenselektronerne i siliciumatomerne. Derfor bliver nogle af valenselektronerne i koordinationsbindingene opspændte og springer ud af bindingen, efterladende et hul i bindingen. På denne måde genereres elektron-hullerpar i krystallet på grund af indgående lys. Hullerne af disse lysgenererede elektron-hullerpar på n-siden har en stor sandsynlighed for rekombination med de enorme elektroner (majoritetsbærere). Derfor er solcelle designet sådan, at lysgenererede elektroner eller huller ikke får mange muligheder for at rekombinere med majoritetsbærere.

Halvlederen (silicium) er så døbt, at p-n-forbindelsen dannes meget tæt på den udsatte overflade af cellen. Hvis et elektron-hullepar dannes inden for ét minoritetsbærerdiffusionslængde af forbindelsen, vil elektronerne af elektron-hulleparret drifte mod n-området, og hullet af parret vil blive svept til p-området på grund af indflydelsen af elektrisk felt i forbindelsen, og derfor vil det i gennemsnit bidrage til strøm i en ekstern kredsløb.

Erklæring: Respektér det originale, gode artikler er værd at dele, hvis der er overtrædelse, kontakt venligst for sletning.