Wat is de photovoltaïsche effect?

Het effect waardoor lichtenergie wordt omgezet in elektrische energie in bepaalde halfgeleider materialen staat bekend als fotovoltaïsche effect. Dit zet lichtenergie direct om in elektriciteit zonder enige tussenstap. Om het fotovoltaïsche effect te demonstreren, laten we een blok siliciumkristal nemen.
De bovenste helft van dit blok is gedopeerd met donorimpuriteiten en de onderste helft met acceptorimpuriteiten. Daarom is de concentratie van vrije elektronen in het n-type gebied veel hoger dan in het p-type gebied, en de concentratie van gaten is veel hoger in het p-type gebied dan in het n-type gebied van het blok. Er zal een hoge concentratiegradiënt zijn van ladingdragers langs de verbindinglijn van het blok. Vrije elektronen uit het n-type gebied proberen te diffunderen naar het p-type gebied, en gaten in het p-type gebied proberen te diffunderen naar het n-type gebied in het kristal. Dit komt omdat ladingdragers van nature altijd tendensen hebben om van een hoogconcentratiegebied naar een laagconcentratiegebied te diffunderen. Elk vrij elektron van het n-type gebied dat door diffusie naar het p-type gebied komt, laat een positieve donorion achter in het n-type gebied.

Dit komt omdat elk vrij elektron in het n-type gebied wordt bijgedragen door één neutraal donoratoom. Op dezelfde manier, wanneer een gat van het p-type gebied naar het n-type gebied diffundeert, laat het een negatief acceptorion achter in het p-type gebied.

Aangezien elk gat wordt bijgedragen door één acceptoratoom in het p-type gebied. Beide ionen, namelijk donorionen en acceptorionen, zijn onbeweeglijk en op hun plaats vastgezet in de kristalstructuur. Het spreekt vanzelf dat die vrije elektronen van het n-type gebied die het dichtst bij het p-type gebied liggen, eerst diffunderen in het p-type gebied, wat resulteert in een laag van positieve onbeweeglijke donorionen in het n-type gebied naast de verbinding.

Op dezelfde manier diffunderen die vrije gaten van het p-type gebied die het dichtst bij het n-type gebied liggen, eerst in het n-type gebied, wat resulteert in een laag van negatieve onbeweeglijke acceptorionen in het p-type gebied naast de verbinding. Deze lagen van positieve en negatieve ionenconcentraties creëren een elektrisch veld over de verbinding, gericht van positief naar negatief, dus van de n-kant naar de p-kant. Nu ervaren de ladingdragers in het kristal door de aanwezigheid van dit elektrisch veld een kracht om te driften volgens de richting van dit elektrisch veld. Zoals we weten, driften positieve ladingen altijd in de richting van het elektrisch veld, dus de positief geladen gaten (indien aanwezig) in het n-type gebied driften nu naar de p-kant van de verbinding.

Aan de andere kant driften negatief geladen elektronen in het p-type gebied (indien aanwezig) naar het n-gebied, omdat negatieve ladingen altijd tegen de richting van het elektrisch veld indriften. Over een p-n-overgang gaat de diffusie en drift van ladingdragers door. De diffusie van ladingdragers creëert en verhoogt de dikte van de potentiaalbarrière over de verbinding, en de drift van de ladingdragers vermindert de dikte van de barrière. In normale thermische evenwichtstoestand en in afwezigheid van externe krachten, is de diffusie van ladingdragers gelijk en tegengesteld aan de drift van ladingdragers, zodat de dikte van de potentiaalbarrière vast blijft.

Nu wordt de n-type oppervlakte van het siliciumkristalblok blootgesteld aan zonlicht. Sommige fotonen worden geabsorbeerd door het siliciumblok. Sommige van de geabsorbeerde fotonen hebben een energie die groter is dan de energiegap tussen de valentieband en de geleidingsband van de valentie-elektronen van de siliciumatomen. Daarom worden sommige valentie-elektronen in de covalente binding opgewonden en springen ze uit de binding, waarbij ze een gat achterlaten in de binding. Op deze manier worden elektron-gatparen in het kristal gegenereerd door het incidentele licht. De gaten van deze lichtgegenereerde elektron-gatparen aan de n-kant hebben een grote kans om te recombineren met de enorme hoeveelheid elektronen (majoritaire dragers). Daarom is de zoncel zo ontworpen dat de lichtgegenereerde elektronen of gaten niet genoeg kansen krijgen om te recombineren met de majoritaire dragers.

De halfgeleider (silicium) is zo gedopeerd dat de p-n-overgang zich in de directe nabijheid van de blootgestelde oppervlakte van de cel bevindt. Als er een elektron-gatpaar wordt gecreëerd binnen een minoritaire dragerdiffusielengte van de verbinding, zullen de elektronen van het elektron-gatpaar naar het n-type gebied driften en het gat van het paar naar het p-gebied worden weggevoerd door de invloed van het elektrisch veld van de verbinding, en hierdoor zal het gemiddeld bijdragen aan de stroom in een externe schakeling.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn waard om gedeeld te worden, indien er een inbreuk is neem contact op voor verwijdering.