چه چیزی اثر فتوولتائیک است

اثری که در آن انرژی نوری به انرژی الکتریکی در برخی مواد نیمه‌رسانای خاص تبدیل می‌شود، اثر فتوولتائیک نامیده می‌شود. این اثر مستقیماً انرژی نوری را بدون هیچ فرآیند واسطه به برق تبدیل می‌کند. برای نمایش اثر فتوولتائیک، فرض کنید یک قطعه بلور سیلیکون داریم. قسمت بالایی این قطعه با آلاینده‌های عامل و قسمت پایینی با آلاینده‌های مساعده‌کننده آلوده شده است. بنابراین غلظت الکترون‌های آزاد در منطقه n-نوع نسبت به منطقه p-نوع بسیار زیاد است و غلظت حفره‌ها در منطقه p-نوع نسبت به منطقه n-نوع بسیار زیاد است. گرادیان غلظت بالایی از حمل‌کننده‌های بار در خط جوش این قطعه وجود دارد. الکترون‌های آزاد از منطقه n-نوع تلاش می‌کنند به منطقه p-نوع منتشر شوند و حفره‌های موجود در منطقه p-نوع تلاش می‌کنند به منطقه n-نوع منتشر شوند. این امر به این دلیل است که حمل‌کننده‌های بار به طبیعت همیشه تمایل دارند از مناطق با غلظت بالاتر به مناطق با غلظت پایین‌تر منتشر شوند. هر الکترون آزاد از منطقه n-نوع که به منطقه p-نوع منتشر می‌شود، یک یون مثبت عامل را در منطقه n-نوع پشت سر می‌گذارد.

این امر به این دلیل است که هر یک از الکترون‌های آزاد در منطقه n-نوع توسط یک اتم عامل متعادل ارائه می‌شود. به طور مشابه، وقتی یک حفره از منطقه p-نوع به منطقه n-نوع منتشر می‌شود، یک یون منفی مساعده‌کننده را در منطقه p-نوع پشت سر می‌گذارد.

از آنجا که هر حفره توسط یک اتم مساعده‌کننده در منطقه p-نوع ارائه می‌شود. هر دو یون یعنی یون‌های عامل و یون‌های مساعده‌کننده ثابت و در موقعیت خود در ساختار بلوری قرار دارند. بی‌پروا نیست که آن الکترون‌های آزاد منطقه n-نوع که نزدیک‌ترین به منطقه p-نوع هستند ابتدا به منطقه p-نوع منتشر می‌شوند و در نتیجه لایه‌ای از یون‌های مثبت ثابت عامل را در منطقه n-نوع مجاور جوش ایجاد می‌کنند.

به طور مشابه، آن حفره‌های آزاد منطقه p-نوع که نزدیک‌ترین به منطقه n-نوع هستند ابتدا به منطقه n-نوع منتشر می‌شوند و در نتیجه لایه‌ای از یون‌های منفی ثابت مساعده‌کننده را در منطقه p-نوع مجاور جوش ایجاد می‌کنند. این لایه‌های غلظت یون‌های مثبت و منفی یک میدان الکتریکی را در امتداد جوش ایجاد می‌کنند که از مثبت به منفی یعنی از سمت n-نوع به سمت p-نوع می‌باشد. حالا به دلیل وجود این میدان الکتریکی، حمل‌کننده‌های بار در بلور تحت تأثیر نیرویی برای جریان‌یابی به طرف این میدان الکتریکی قرار می‌گیرند. همانطور که می‌دانیم، بار مثبت همیشه در جهت میدان الکتریکی جریان‌یابی می‌کند، بنابراین حفره‌های بار مثبت (اگر وجود داشته باشند) در منطقه n-نوع حالا به سمت p-نوع جوش حرکت می‌کنند.

از طرف دیگر، الکترون‌های منفی در منطقه p-نوع (اگر وجود داشته باشند) به سمت منطقه n-نوع جریان‌یابی می‌کنند چرا که بار منفی همیشه در جهت مخالف میدان الکتریکی جریان‌یابی می‌کند. در یک جوش p-n، انتشار و جریان‌یابی حمل‌کننده‌های بار ادامه دارد. انتشار حمل‌کننده‌های بار موجب ایجاد و افزایش ضخامت مانع پتانسیل در امتداد جوش می‌شود و جریان‌یابی حمل‌کننده‌های بار موجب کاهش ضخامت مانع می‌شود. در شرایط تعادل گرمایی معمولی و در غیاب هر گونه نیروی خارجی، انتشار حمل‌کننده‌های بار برابر و مخالف جریان‌یابی حمل‌کننده‌های بار است، بنابراین ضخامت مانع 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 رسانایی الکترون‌های والانس اتم‌های سیلیکون خواهند داشت. بنابراین، برخی از الکترون‌های والانس در پیوند کوالانسیتی تحریک می‌شوند و از پیوند خارج می‌شوند و یک حفره در پیوند پشت سر می‌گذارند. به این ترتیب جفت‌های الکترون-حفره به دلیل نور ورودی در بلور ایجاد می‌شوند. حفره‌های این جفت‌های الکترون-حفره نوری در سمت n-نوع احتمال زیادی برای بازترکیب با الکترون‌های فراوان (حمل‌کننده‌های اکثریت) دارند. بنابراین، سلول خورشیدی طراحی شده است به گونه‌ای که الکترون‌ها یا حفره‌های تولید شده توسط نور فرصت کافی برای بازترکیب با حمل‌کننده‌های اکثریت نخواهند داشت.

مواد نیمه‌رسانای (سیلیکون) به گونه‌ای آلوده شده‌اند که جوش p-n در نزدیکی سطح معرض سلول تشکیل می‌شود. اگر یک جفت الکترون-حفره در طول یک حمل‌کننده اقلیت از جوش ایجاد شود، الکترون‌های جفت الکترون-حفره به سمت منطقه n-نوع جریان‌یابی خواهند کرد و حفره‌های جفت به سمت منطقه p-نوع تحت تأثیر میدان الکتریکی جوش حرکت خواهند کرد و بنابراین به طور متوسط به جریان در مدار خارجی می‌افزایند.

بیانیه: احترام به اصل، مقالات خوب ارزش به اشتراک گذاشتن را دارند، در صورت وجود نقض حق تکثیر لطفاً تماس بگیرید تا حذف شود.