Mi a fotovoltaikus hatás?

A hatás, amelynek eredményeként a fényenergia elektromos energiává alakul bizonyos fémvezető anyagokban, a fotovoltaikus hatás néven ismert. Ez közvetlenül átalakítja a fényenergiát elektromos energiává bármilyen köztes folyamat nélkül. A fotovoltaikus hatás bemutatásához vegyünk fel egy kisilíc kristálytömböt.
A tömb felső részét adón impuritásokkal, az alsó részét pedig elfogadó impuritásokkal dobjuk. Így a szabad elektronok koncentrációja jelentősen magasabb lesz az n-típusú régióban, mint a p-típusú régióban, és a lyukak koncentrációja jelentősen magasabb lesz a p-típusú régióban, mint az n-típusú régióban. Az egységben lévő töltésviszonyítók koncentrációs gradiens nagy lesz a tömb összeköttetési vonalán. Az n-típusú régióból származó szabad elektronok megpróbálnak diffúzni a p-típusú régióba, míg a p-típusú régióban lévő lyukak megpróbálnak diffúzni az n-típusú régióba a kristályban. Ez azért van, mert a töltésviszonyítók természete szerint mindig a magas koncentrációjú régióból a kevesebb koncentrációjú régióba diffúznak. Minden egyes n-típusú régióból származó szabad elektron, amikor a diffúzió miatt a p-típusú régióba kerül, pozitív adóiont hagy maga mögött az n-típusú régióban.

Ez azért van, mert minden egyes n-típusú régióban lévő szabad elektron egy neutrális adóatomtól származik. Hasonlóképpen, amikor egy lyuk diffúzióval a p-típusú régióból az n-típusú régióba kerül, negatív elfogadót iont hagy maga mögött a p-típusú régióban.

Mivel minden lyuk egy elfogadó atomtól származik a p-típusú régióban. Ezek az ionok, azaz az adóionok és az elfogadó ionok, nem mozoghatnak, és rögzítettek a kristály szerkezetben. Nyilvánvaló, hogy az n-típusú régióban lévő szabad elektronok, amelyek legközelebb vannak a p-típusú régióhoz, először diffúzni kezdenek a p-típusú régióba, így pozitív, nem mozgó adóion réteget hoznak létre az n-típusú régióban, ami közel van az összeköttetéshez.

Hasonlóképpen, a p-típusú régióban lévő szabad lyukak, amelyek legközelebb vannak az n-típusú régióhoz, először diffúzni kezdenek az n-típusú régióba, így negatív, nem mozgó elfogadó ion réteget hoznak létre a p-típusú régióban, ami közel van az összeköttetéshez. Ezek a pozitív és negatív ion koncentrációs rétegek egy elektromos mezőt hoznak létre az összeköttetésen, amely a pozitív oldaltól a negatív oldal felé irányul, tehát az n-típusú oldaltól a p-típusú oldal felé. Most, ennek az elektromos mezőnek a jelenléte miatt a kristályban lévő töltésviszonyítók egy erőt érezzék, hogy a mező irányában driftenek. Ahogy tudjuk, a pozitív töltés mindig a mező irányában driftenek, ezért a pozitívan töltött lyukak (ha vannak) az n-típusú régióban most a p-oldal felé driftenek az összeköttetésnél.

Másrészről, a negatívan töltött elektronok a p-típusú régióban (ha vannak) az n-régió felé driftenek, mivel a negatív töltés mindig ellentétes irányban driftenek, mint az elektromos mező. Egy p-n összeköttetésen a töltésviszonyítók diffúziója és driftje folytatódik. A töltésviszonyítók diffúziója meghozza és növeli a potenciálháromság vastagságát az összeköttetésen, míg a töltésviszonyítók driftje csökkenti a háromság vastagságát. Normál hőegyensúlyi feltételek mellett, és bármilyen külső erő hiányában, a töltésviszonyítók diffúziója egyenlő és ellentétes a töltésviszonyítók driftjével, ezért a potenciálháromság vastagsága rögzített marad.

Most a silícium kristálytömb n-típusú felületét napfényre teszik ki. Néhány foton el lesz fogadva a silícium tömbben. Néhány elnyelt foton energiaja nagyobb lesz, mint a valencia- és vezetőszint közötti energiahelyzet. Így a silícium atomok valenciaelektronjainak néhányan lehetséges, hogy izgalomra kerülnek, és kilépnek a kötéstől, lyukat hagyva maguk mögött. Így a kristályban fénynézet alapján elektron-lyuk párok jönnek létre. Az n-típusú oldalon lévő fénynézet alapján generált lyukak nagy eséllyel újraszerveződnek a hatalmas mennyiségű elektronokkal (többségi viszonyítókkal). Így a napenergia-cellát oly módon tervezték, hogy a fénynézet alapján generált elektronok vagy lyukak ne kapjanak elegendő lehetőséget a többségi viszonyítókkal történő újraszerveződésre.

A fémvezető (silícium) oly módon dobják, hogy a p-n összeköttetés nagyon közel található a cella kitett felületehez. Ha egy elektron-lyuk pár jön létre a minoritárius viszonyítók diffúzióhosszával belül, az összeköttetéstől, az elektron-lyuk pár elektronai az n-típusú régió felé driftenek, míg a lyukok a p-régió felé szállnak, a elektromos mező hatására, és így átlagosan hozzájárulnak a áram folyásához egy külső körben.

Kijelentés: Tiszteletben tartsuk az eredeti cikket, a jó cikkek megosztásra méltók, ha sérülés esetén lépjünk kapcsolatba a törlésért.