Cosa è l'effetto fotovoltaico?

L'effetto con cui l'energia luminosa viene convertita in energia elettrica in determinati materiali semiconduttori è noto come effetto fotovoltaico. Questo converte direttamente l'energia luminosa in elettricità senza alcun processo intermedio. Per dimostrare l'effetto fotovoltaico, assumiamo un blocco di cristallo di silicio.
La parte superiore di questo blocco è dopata con impurità donatrici e la parte inferiore con impurità accettori. Pertanto, la concentrazione di elettroni liberi è molto alta nella regione n rispetto alla regione p e la concentrazione di buchi è molto alta nella regione p rispetto alla regione n del blocco. Ci sarà un elevato gradiente di concentrazione dei portatori di carica lungo la linea di giunzione del blocco. Gli elettroni liberi dalla regione n cercano di diffondersi nella regione p e i buchi nella regione p cercano di diffondersi nella regione n nel cristallo. Questo avviene perché i portatori di carica, per natura, tendono sempre a diffondersi da una regione di alta concentrazione a una regione di bassa concentrazione. Ogni elettrone libero della regione n, mentre si sposta nella regione p a causa della diffusione, lascia dietro di sé un ione donatore positivo nella regione n.

Questo avviene perché ogni elettrone libero nella regione n è contribuito da un atomo donatore neutro. Analogamente, quando un buco si diffonde dalla regione p alla regione n, lascia dietro di sé un ione accettore negativo nella regione p.

Poiché ogni buco è contribuito da un atomo accettore nella regione p. Entrambi questi ioni, cioè gli ioni donatori e gli ioni accettori, sono immobili e fissi nelle loro posizioni nella struttura cristallina. È superfluo dire che quegli elettroni liberi della regione n che sono più vicini alla regione p diffondonsi per primi nella regione p, creando così uno strato di ioni donatori positivi immobili nella regione n adiacente alla giunzione.

Analogamente, quei buchi liberi della regione p che sono più vicini alla regione n diffondonsi per primi nella regione n, creando così uno strato di ioni accettori negativi immobili nella regione p adiacente alla giunzione. Questi strati di concentrazione di ioni positivi e negativi creano un campo elettrico attraverso la giunzione, diretto dal positivo al negativo, cioè dalla parte n alla parte p. A causa della presenza di questo campo elettrico, i portatori di carica nel cristallo sperimentano una forza per driftare secondo la direzione di questo campo elettrico. Come sappiamo, la carica positiva drifta sempre nella direzione del campo elettrico, quindi i buchi positivamente carichi (se presenti) nella regione n ora driftano verso il lato p della giunzione.

D'altra parte, gli elettroni negativamente carichi nella regione p (se presenti) driftano verso la regione n, poiché la carica negativa drifta sempre in direzione opposta al campo elettrico. Attraverso una giunzione p-n, la diffusione e il drift dei portatori di carica continuano. La diffusione dei portatori di carica crea e aumenta lo spessore della barriera di potenziale attraverso la giunzione, mentre il drift dei portatori di carica riduce lo spessore della barriera. In condizioni normali di equilibrio termico e in assenza di forze esterne, la diffusione dei portatori di carica è uguale e opposta al drift dei portatori di carica, quindi lo spessore della barriera di potenziale rimane fisso.

Ora, la superficie di tipo n del blocco di cristallo di silicio è esposta alla luce solare. Alcuni dei fotoni vengono assorbiti dal blocco di silicio. Alcuni dei fotoni assorbiti avranno un'energia maggiore dello spazio energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione degli elettroni di valenza degli atomi di silicio. Pertanto, alcuni elettroni di valenza nei legami covalenti saranno eccitati e salteranno fuori dal legame, lasciando dietro un buco nel legame. In questo modo, coppie elettrone-buco vengono generate nel cristallo a causa della luce incidente. I buchi di queste coppie elettrone-buco generate dalla luce sul lato n hanno una probabilità sufficiente di ricombinare con gli elettroni abbondanti (portatori maggioritari). Pertanto, la cella solare è progettata in modo tale che gli elettroni o i buchi generati dalla luce non abbiano abbastanza possibilità di ricombinare con i portatori maggioritari.

Il semiconduttore (silicio) è dopato in modo tale che la giunzione p-n si formi in una vicinanza molto ravvicinata alla superficie esposta della cella. Se una coppia elettrone-buco viene creata all'interno di una lunghezza di diffusione di portatori minoritari, della giunzione, gli elettroni della coppia elettrone-buco drifteranno verso la regione n e il buco della coppia verrà spazzato verso la regione p a causa dell'influenza del campo elettrico della giunzione e, quindi, in media, contribuirà al flusso di corrente in un circuito esterno.

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