چه چیزی اثر فتوولتاییک است

چهارچوبی که در آن انرژی نور به انرژی الکتریکی در برخی مواد نیم‌رسانا تبدیل می‌شود را اثر فتوولتائیک می‌نامند. این اثر مستقیماً انرژی نور را به برق تبدیل می‌کند بدون هیچ فرآیند میانجی. برای نشان دادن اثر فتوولتائیک، یک قطعه بلور سیلیکون را در نظر بگیرید.
بخش بالایی این قطعه با آلاینده‌های عامل و بخش پایینی با آلاینده‌های میزبان آلایش شده است. بنابراین غلظت الکترون‌های آزاد در منطقه n-نوع نسبت به منطقه p-نوع بسیار بیشتر است و غلظت حفره‌ها در منطقه p-نوع نسبت به منطقه n-نوع بسیار بیشتر است. یک گرادیان غلظت بالا از حامل‌های شارژ در خط اتصال قطعه وجود خواهد داشت. الکترون‌های آزاد از منطقه n-نوع تلاش می‌کنند تا به منطقه p-نوع پخش شوند و حفره‌های موجود در منطقه p-نوع تلاش می‌کنند تا به منطقه n-نوع پخش شوند. این به دلیل این است که حامل‌های شارژ به طبیعت همیشه تمایل دارند از مناطق با غلظت بالا به مناطق با غلظت پایین پخش شوند. هر الکترون آزاد از منطقه n-نوع که به منطقه p-نوع می‌آید، یک یون عامل مثبت را در منطقه n-نوع پشت خود می‌گذارد.

این به دلیل این است که هر الکترون آزاد در منطقه n-نوع توسط یک اتم عامل خنثی ارائه می‌شود. به همان ترتیب، وقتی یک حفره از منطقه p-نوع به منطقه n-نوع پخش می‌شود، یک یون میزبان منفی را در منطقه p-نوع پشت خود می‌گذارد.

از آنجا که هر حفره توسط یک اتم میزبان در منطقه p-نوع ارائه می‌شود. هر دو یون، یعنی یون‌های عامل و یون‌های میزبان، ثابت و جابجا ناپذیر در ساختار بلوری هستند. بی‌نیاز از این است که الکترون‌های آزاد منطقه n-نوع که نزدیک‌ترین به منطقه p-نوع هستند، ابتدا به منطقه p-نوع پخش می‌شوند و در نتیجه لایه‌ای از یون‌های عامل مثبت ثابت در منطقه n-نوع مجاور با خط اتصال ایجاد می‌کنند.

به همین ترتیب، حفره‌های آزاد منطقه p-نوع که نزدیک‌ترین به منطقه n-نوع هستند، ابتدا به منطقه n-نوع پخش می‌شوند و در نتیجه لایه‌ای از یون‌های میزبان منفی ثابت در منطقه p-نوع مجاور با خط اتصال ایجاد می‌کنند. این لایه‌های غلظت یون‌های مثبت و منفی یک میدان الکتریکی در امتداد خط اتصال ایجاد می‌کنند که از مثبت به منفی، یعنی از سمت n-نوع به سمت p-نوع، هدایت می‌شود. حالا به دلیل وجود این میدان الکتریکی، حامل‌های شارژ در بلور تحت تأثیر یک نیرو برای حرکت در جهت این میدان الکتریکی قرار می‌گیرند. همان‌طور که می‌دانیم، شارژ مثبت همیشه در جهت میدان الکتریکی حرکت می‌کند، بنابراین حفره‌های شارژ مثبت (اگر هستند) در منطقه n-نوع حالا به سمت p-نوع حرکت می‌کنند.

از طرف دیگر، الکترون‌های شارژ منفی در منطقه p-نوع (اگر هستند) به منطقه n-نوع حرکت می‌کنند زیرا شارژ منفی همیشه در جهت مخالف میدان الکتریکی حرکت می‌کند. در امتداد یک اتصال p-n، پخش و حرکت حامل‌های شارژ ادامه دارد. پخش حامل‌های شارژ لایه پتانسیل را در امتداد خط اتصال ایجاد و افزایش می‌دهد و حرکت حامل‌های شارژ ضخامت این لایه را کاهش می‌دهد. در شرایط تعادل حرارتی عادی و در غیاب هرگونه نیروی خارجی، پخش حامل‌های شارژ با حرکت حامل‌های شارژ مساوی و مخالف است، بنابراین ضخامت لایه پتانسیل ثابت می‌ماند.

حالا سطح n-نوع بلور سیلیکون به نور خورشید مواجه می‌شود. برخی از فوتون‌ها توسط بلور سیلیکون جذب می‌شوند. برخی از فوتون‌های جذب شده انرژی بیشتری نسبت به فاصله انرژی بین باند والانس و باند هدایت الکترون‌های والانس اتم‌های سیلیکون خواهند داشت. بنابراین، برخی از الکترون‌های والانس در پیوند کووالانسی تحریک می‌شوند و از پیوند خارج می‌شوند و یک حفره در پیوند می‌گذارند. به این ترتیب، جفت‌های الکترون-حفره به دلیل نور ورودی در بلور ایجاد می‌شوند. حفره‌های ایجاد شده به دلیل نور در سمت n-نوع احتمال بالایی برای بازترکیب با الکترون‌های فراوان (حامل‌های اکثریت) دارند. بنابراین، سلول خورشیدی به گونه‌ای طراحی شده است که الکترون‌ها یا حفره‌های ایجاد شده به دلیل نور احتمال کمی برای بازترکیب با حامل‌های اکثریت داشته باشند.

نیم‌رسانا (سیلیکون) به گونه‌ای آلایش می‌شود که اتصال p-n در نزدیکی سطح مواجه شده سلول تشکیل شود. اگر یک جفت الکترون-حفره در محدوده یک طول پخش حامل کمیت در نزدیکی خط اتصال ایجاد شود، الکترون‌های جفت الکترون-حفره به سمت منطقه n-نوع حرکت خواهند کرد و حفره‌های جفت به سمت منطقه p-نوع تحت تأثیر میدان الکتریکی خط اتصال حرکت خواهند کرد و بنابراین به طور متوسط به جریان در مدار خارجی کمک می‌کنند.

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.