Što je fotovoltačni efekt

Efekt zbog kojeg se energija svjetlosti pretvara u električnu energiju u određenim poluprovodnim materijalima poznat je kao fotovoltački efekt. Ovaj direktno pretvara energiju svjetlosti u električnu energiju bez bilo kakvog međuprocesa. Za demonstraciju fotovoltačkog efekta pretpostavimo blok kristala silicijuma.
Gornji dio ovog bloka dopiran je s donorskim impuritetima, a donji dio s akceptorskim impuritetima. Stoga koncentracija slobodnih elektrona visoka je u n-tipu područja uspoređeno s p-tipom područjem, a koncentracija rupa visoka je u p-tipu području uspoređeno s n-tipom područjem bloka. Postojat će visok gradijent koncentracije nosilaca naboja popriječno presjeka bloka. Slobodni elektroni iz n-tipa područja pokušavaju difuzirati u p-tip područje, a rupe u p-tipu područja pokušavaju difuzirati u n-tip područje u kristalu. To je zato što nosilci naboja prirodom uvijek teže difuzirati iz područja s visokom koncentracijom u područje s niskom koncentracijom. Svaki slobodan elektron iz n-tipa područja, dok difuzira u p-tip područje, ostavlja pozitivni donorski jon iza sebe u n-tipu području.

To je zato što svaki slobodan elektron u n-tipu područja doprinosi jedan neutralni donorski atom. Slično, kada se rupa difuzira iz p-tipa područja u n-tip područje, ostavlja negativni akceptorski jon iza sebe u p-tipu području.

Svaka rupa doprinosi jedan akceptorski atom u p-tipu području. Oba ova jona, donosni i akceptorski, su nemobilna i fiksirana na svojoj poziciji u kristalnoj strukturi. Treba reći da oni slobodni elektroni u n-tipu područja koji su najbliži p-tipu području prvi difuziraju u p-tip područje, stvarajući sloj pozitivnih nemobilnih donosnih jona u n-tipu području uz presjek.

Slično tome, one slobodne rupe u p-tipu područja koje su najbliže n-tipu području prve difuziraju u n-tip područje, stvarajući sloj negativnih nemobilnih akceptorskih jona u p-tipu području uz presjek. Ovi pozitivni i negativni joni stvaraju električno polje popriječno presjeka, koje je orijentirano od pozitivnog do negativnog, odnosno od n-tipa prema p-tipu. Sada, zbog prisutnosti ovog električnog polja, nosilci naboja u kristalu iskušavaju silu drifte prema smjeru toga električnog polja. Kao što znamo, pozitivni naboj uvijek drifta prema smjeru električnog polja, stoga pozitivno nabijene rupe (ako postoje) u n-tipu području sad driftaju prema p-strani presjeka.

S druge strane, negativno nabijeni elektroni u p-tipu području (ako postoje) driftaju prema n-regiji jer negativni naboj uvijek drifta suprotno smjeru električnog polja. Popriječno p-n spoja difuzija i drift nosilaca naboja nastavlja se. Difuzija nosilaca naboja stvara i povećava debljinu potencijalne barijere popriječno presjeka, a drift nosilaca naboja smanjuje debljinu barijere. U normalnom termalnom ravnotežnom stanju i u odsutnosti bilo kakvih vanjskih sila, difuzija nosilaca naboja jednaka i suprotna driftu nosilaca naboja, stoga debljina potencijalne barijere ostaje fiksna.

Sada, n-tip površina bloka kristala silicijuma izložena je sunčevom svjetlosti. Neki fotoni apsorbirani su blokom silicijuma. Neki od apsorbiranih fotona imat će energiju veću od energijske razlike između valentnog i provodnog pojasa valentnih elektrona atoma silicijuma. Stoga, neki valentni elektroni u kovalentnom vezu bit će pobuđeni i skočiti iz veze, ostavljajući rupu u vezi. Na taj način parovi elektron-rupe generiraju se u kristalu zbog incidentne svjetlosti. Rupe tih svjetlosno generiranih parova elektron-rupe u n-tipu području imaju dovoljnu vjerojatnost rekombinacije s ogromnim brojem elektrona (glavnim nositeljima). Stoga je solarni element tako dizajniran da svjetlosno generirani elektroni ili rupe ne dobiju dovoljno šanse za rekombinaciju s glavnim nositeljima.

Poluprovodnik (silicijum) je tako dopiran da p-n spoj formira se u vrlo blizini izložene površine elementa. Ako se par elektron-rupe stvori unutar duljine difuzije manjinskog nositelja, elektroni para elektron-rupe driftat će prema n-tipu području, a rupe para pod utjecajem električnog polja spoja ovisno o prosjeku, doprinijet će strujanju u vanjskom krugu.

Izjava: Prijateljski odnos prema originalu, dobre članke vrijedi podijeliti, ukoliko postoji kršenje autorskih prava molim o brisanje.