Was ist der Photovoltaik-Effekt?

Der Effekt, durch den Lichtenergie in elektrische Energie in bestimmten Halbleiter-Materialien umgewandelt wird, wird als Photovoltaik-Effekt bezeichnet. Dieser wandelt Lichtenergie direkt in Elektrizität um, ohne einen Zwischenschritt. Um den Photovoltaik-Effekt zu demonstrieren, nehmen wir an, dass wir einen Block aus Siliziumkristall haben.
Der obere Teil dieses Blocks ist mit Donorimpureiten dotiert und der untere Teil mit Akzeptorimpureiten. Daher ist die Konzentration freier Elektronen im n-Typ-Gebiet im Vergleich zum p-Typ-Gebiet viel höher und die Lochkonzentration im p-Typ-Gebiet im Vergleich zum n-Typ-Gebiet des Blocks ebenfalls viel höher. Es wird ein hoher Konzentrationsgradient von Ladungsträgern entlang der Verbindungslinie des Blocks vorhanden sein. Freie Elektronen aus dem n-Typ-Gebiet versuchen, in das p-Typ-Gebiet zu diffundieren, und Löcher im p-Typ-Gebiet versuchen, in das n-Typ-Gebiet im Kristall zu diffundieren. Dies liegt daran, dass Ladungsträger von Natur aus immer von Gebieten mit hoher Konzentration in Gebiete mit niedriger Konzentration diffundieren. Jedes freie Elektron aus dem n-Typ-Gebiet, das aufgrund der Diffusion in das p-Typ-Gebiet gelangt, hinterlässt ein positives Donorion im n-Typ-Gebiet.

Dies liegt daran, dass jedes freie Elektron im n-Typ-Gebiet von einem neutralen Donoratom beigetragen wird. Ähnlich, wenn ein Loch vom p-Typ-Gebiet in das n-Typ-Gebiet diffundiert, hinterlässt es ein negatives Akzeptorion im p-Typ-Gebiet.

Da jedes Loch im p-Typ-Gebiet von einem Akzeptoratom beigetragen wird. Beide Ionen, also Donor- und Akzeptor-Ionen, sind unbeweglich und an ihrer Position im Kristallgitter fixiert. Es ist selbstverständlich, dass die freien Elektronen im n-Typ-Gebiet, die am nächsten an das p-Typ-Gebiet liegen, zuerst in das p-Typ-Gebiet diffundieren und dadurch eine Schicht positiver, unbeweglicher Donorionen im n-Typ-Gebiet neben der Verbindung bilden.

Ähnlich bilden die freien Löcher im p-Typ-Gebiet, die am nächsten an das n-Typ-Gebiet liegen, zuerst eine Schicht negativer, unbeweglicher Akzeptorionen im p-Typ-Gebiet neben der Verbindung. Diese Schichten von positiven und negativen Ionenkonzentrationen erzeugen ein elektrisches Feld über die Verbindung, das von positiv nach negativ gerichtet ist, also vom n-Typ-Gebiet zum p-Typ-Gebiet. Aufgrund der Anwesenheit dieses elektrischen Feldes erfahren die Ladungsträger im Kristall eine Kraft, die sie in Richtung dieses elektrischen Feldes treibt. Wie wir wissen, driftet die positive Ladung immer in Richtung des elektrischen Feldes, daher driften die positiv geladenen Löcher (falls vorhanden) im n-Typ-Gebiet nun zur p-Seite der Verbindung.

Auf der anderen Seite driften negativ geladene Elektronen im p-Typ-Gebiet (falls vorhanden) zum n-Gebiet, da negative Ladungen sich immer entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes bewegen. Über eine p-n-Verbindung setzt die Diffusion und Drift der Ladungsträger fort. Die Diffusion der Ladungsträger erzeugt und erhöht die Dicke des Potentialschrankens über die Verbindung, während die Drift der Ladungsträger die Dicke des Schrankens verringert. In normaler thermischer Gleichgewichtsbedingung und in Abwesenheit äußerer Kräfte ist die Diffusion der Ladungsträger gleich und entgegengesetzt zur Drift der Ladungsträger, sodass die Dicke des Potentialschrankens konstant bleibt.

Nun wird die n-Typ-Oberfläche des Siliziumkristalls dem Sonnenlicht ausgesetzt. Einige der Photonen werden vom Siliziumblock absorbiert. Einige der absorbierten Photonen haben eine Energie, die größer ist als die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsbändern der Valenzelektronen der Siliziumatome. Daher werden einige der Valenzelektronen in den kovalenten Bindungen angeregt und springen aus der Bindung, wobei sie ein Loch in der Bindung hinterlassen. Auf diese Weise werden Elektron-Loch-Paare im Kristall aufgrund des einfallenden Lichts erzeugt. Die Löcher dieser lichtinduzierten Elektron-Loch-Paare auf der n-Typ-Seite haben eine hohe Wahrscheinlichkeit, mit den zahlreichen Elektronen (Majoritätsladungsträger) zu rekombinieren. Daher ist die Solarzelle so gestaltet, dass die lichtinduzierten Elektronen oder Löcher nicht genug Chancen haben, mit den Majoritätsladungsträgern zu rekombinieren.

Der Halbleiter (Silizium) ist so dotiert, dass die p-n-Verbindung in unmittelbarer Nähe der exponierten Oberfläche der Zelle entsteht. Wenn ein Elektron-Loch-Paar innerhalb einer Minderheitsladungsträger-Diffusionslänge der Verbindung erzeugt wird, driften die Elektronen des Elektron-Loch-Paares in Richtung des n-Typ-Gebiets und das Loch des Paares wird aufgrund des Einflusses des elektrischen Feldes der Verbindung in das p-Gebiet getrieben und trägt im Durchschnitt zum Strom in einem externen Schaltkreis bei.

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