Τι είναι το φωτοβολταϊκό φαινόμενο;

Η επίδραση με την οποία η ενέργεια του φωτός μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια σε κάποια ημιαγωγικά υλικά είναι γνωστή ως φωτοβολταϊκή επίδραση. Αυτή μετατρέπει άμεσα την ενέργεια του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς κανένα μεσολαβητικό διαδικαστικό βήμα. Για να δείξουμε την φωτοβολταϊκή επίδραση ας υποθέσουμε ένα μπλοκ πυρήνα σιλικίου.
Το άνω μέρος αυτού του μπλοκ είναι δοπισμένο με δωρητικά ενώ το κάτω μέρος με αποδωρητικά ενώσιμα. Συνεπώς, η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι πολύ υψηλότερη στην περιοχή n-τύπου σε σύγκριση με την περιοχή p-τύπου, ενώ η συγκέντρωση των κενών είναι πολύ υψηλότερη στην περιοχή p-τύπου σε σύγκριση με την περιοχή n-τύπου του μπλοκ. Θα υπάρξει μια υψηλή συγκέντρωση των ηλεκτροφόρων κατά μήκος της γραμμής σύνδεσης του μπλοκ. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια από την περιοχή n-τύπου προσπαθούν να διαπνεύσουν στην περιοχή p-τύπου και τα κενά στην περιοχή p-τύπου προσπαθούν να διαπνεύσουν στην περιοχή n-τύπου στον πυρήνα. Αυτό συμβαίνει επειδή οι ηλεκτρόφοροι από φύση πάντα τείνουν να διαπνέουν από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης. Κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο της περιοχής n-τύπου, καθώς διαπνέει στην περιοχή p-τύπου, αφήνει ένα θετικό ιόν δωρητή στην περιοχή n-τύπου.

Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο στην περιοχή n-τύπου προέρχεται από ένα ουδέτερο άτομο δωρητή. Ομοίως, όταν ένα κενό διαπνέει από την περιοχή p-τύπου στην περιοχή n-τύπου, αφήνει ένα αρνητικό ιόν αποδωρητή στην περιοχή p-τύπου.

Επειδή κάθε κενό στην περιοχή p-τύπου προέρχεται από ένα άτομο αποδωρητή. Και τα δύο αυτά ιόντα, δηλαδή τα ιόντα δωρητή και αποδωρητή, είναι ακίνητα και σταθερά στη θέση τους στο κρυστάλλινο σύστημα. Είναι περιττό να αναφέρουμε ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της περιοχής n-τύπου που είναι πιο κοντά στην περιοχή p-τύπου πρώτα διαπνέουν στην περιοχή p-τύπου, δημιουργώντας ένα στρώμα θετικών ακίνητων ιόντων δωρητή στην περιοχή n-τύπου πλησιέστερη στη σύνδεση.

Όμοια, τα ελεύθερα κενά της περιοχής p-τύπου που είναι πιο κοντά στην περιοχή n-τύπου πρώτα διαπνέουν στην περιοχή n-τύπου, δημιουργώντας ένα στρώμα αρνητικών ακίνητων ιόντων αποδωρητή στην περιοχή p-τύπου πλησιέστερη στη σύνδεση. Αυτά τα στρώματα θετικών και αρνητικών ιόντων δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος της σύνδεσης, το οποίο είναι κατευθυνόμενο από θετικό σε αρνητικό, δηλαδή από την πλευρά n-τύπου προς την πλευρά p-τύπου. Λόγω της παρουσίας αυτού του ηλεκτρικού πεδίου, οι ηλεκτρόφοροι στον πυρήνα βιώνουν μια δύναμη για να μετακινηθούν σύμφωνα με την κατεύθυνση αυτού του ηλεκτρικού πεδίου. Όπως γνωρίζουμε, τα θετικά φορτία πάντα μετακινούνται σύμφωνα με την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου, οπότε τα θετικά φορτία (αν υπάρχουν) στην περιοχή n-τύπου τώρα μετακινούνται προς την πλευρά p της σύνδεσης.

Από την άλλη πλευρά, τα αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια) στην περιοχή p-τύπου (αν υπάρχουν) μετακινούνται προς την πλευρά n-τύπου, καθώς τα αρνητικά φορτία πάντα μετακινούνται αντίθετα στην κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Κατά μήκος μιας p-n σύνδεσης, η διάπνοια και η μετακίνηση των ηλεκτροφόρων συνεχίζεται. Η διάπνοια των ηλεκτροφόρων δημιουργεί και αυξάνει το πάχος της δυναμικής μπάριερας κατά μήκος της σύνδεσης, ενώ η μετακίνηση των ηλεκτροφόρων μειώνει το πάχος της μπάριερας. Σε κανονικές συνθήκες θερμικής ισορροπίας και απουσίας οποιασδήποτε εξωτερικής δύναμης, η διάπνοια των ηλεκτροφόρων είναι ίση και αντίθετη με τη μετακίνηση των ηλεκτροφόρων, οπότε το πάχος της δυναμικής μπάριερας παραμένει σταθερό.

Τώρα, το επιφάνεια n-τύπου του μπλοκ πυρήνα σιλικίου εκτίθεται στο ήλιο. Μερικά φωτόνια απορροφούνται από το μπλοκ σιλικίου. Μερικά από τα απορροφηθέντα φωτόνια θα έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα μεταξύ της περιοχής τιμής και της περιοχής διαμετακίνησης των ηλεκτρονίων των άτομων σιλικίου. Συνεπώς, μερικά από τα ηλεκτρόνια της περιοχής τιμής στο συνδετικό σύνδεσμα θα ενεργοποιηθούν και θα πηδήξουν έξω από τον σύνδεσμο, αφήνοντας πίσω ένα κενό στον σύνδεσμο. Με αυτόν τον τρόπο, ζευγάρια ηλεκτρόνια-κενών δημιουργούνται στον πυρήνα λόγω του εισερχόμενου φωτός. Τα κενά αυτών των ζευγαριών ηλεκτρόνια-κενών στην πλευρά n-τύπου έχουν αρκετή πιθανότητα να επανενωθούν με τα πολύπληθα ηλεκτρόνια (majority carriers). Συνεπώς, ο ηλιακός συλλέκτης είναι τόσο σχεδιασμένος, ώστε τα ηλεκτρόνια ή τα κενά που παράγονται από το φως να μην έχουν αρκετές ευκαιρίες να επανενωθούν με τα πολύπληθα ηλεκτρόνια.

Το ημιαγωγικό (σιλικίου) είναι τόσο δοπισμένο, ώστε η p-n σύνδεση να δημιουργείται σε πολύ κοντινή απόσταση από την εκτεθειμένη επιφάνεια του συλλέκτη. Εάν ένα ζευγάρι ηλεκτρόνια-κενών δημιουργηθεί μέσα σε μία μοναδική μήκους διάπνοιας minority carrier, τα ηλεκτρόνια του ζευγαριού θα μετακινηθούν προς την περιοχή n-τύπου και το κενό του ζευγαριού θα συνεταχθεί προς την περιοχή p-τύπου λόγω της επιρροής του ηλεκτρικού πεδίου της σύνδεσης, και συνεπώς, επί μέσου, θα συμβάλει στην ροή ρεύματος σε ένα εξωτερικό κύκλωμα.

Δήλωση: Σέβασμα στο αρχικό, καλά άρθρα αξίζουν κοινή χρήση, αν υπάρχει παραβίαση πνευματικών δικαιωμάτων παρακαλώ επικοινωνήστε για διαγραφή.