Hva er fotovoltekisk effekt?

Effekten som gjør at lysenergi konverteres til elektrisk energi i visse halvleder materialer kalles fotovoltaisk effekt. Dette konverterer direkte lysenergi til elektrisitet uten noen mellomprosess. For å demonstrere fotovoltaisk effekt la oss anta en blokk silisiumkristall.
Den øvre delen av denne blokken er dopet med donorforurensninger og den nedre delen er dopet med akseptorforurensninger. Derfor er konsentrasjonen av frie elektroner mye høyere i n-typer området sammenlignet med p-typer området, og konsentrasjonen av hull er mye høyere i p-typer området sammenlignet med n-typer området i blokken. Det vil være et stort konsentrasjonsgradient for ladningsbærere overfor forbindelseslinjen i blokken. Frie elektroner fra n-typer området prøver å diffusere til p-typer området, og hull i p-typer området prøver å diffusere til n-typer området i kristallen. Dette er fordi ladningsbærere av natur alltid tendere til å diffusere fra høykonsentrerte områder til lavtkonsentrerte områder. Hvert fritt elektron i n-typer området, når det kommer til p-typer området på grunn av diffusjon, etterlater et positivt donorion bak seg i n-typer området.

Dette er fordi hvert fritt elektron i n-typer området bidrar med et nøytralt donoratom. På samme måte, når et hull diffuserer fra p-typer området til n-typer området, etterlater det et negativt akseptorion bak seg i p-typer området.

Ettersom hvert hull bidrar med et akseptoratom i p-typer området. Begge disse ionene, altså donorioner og akseptorioner, er ubewegelige og fastsette i kristallstrukturen. Det er unødvendig å si at de frie elektronene i n-typer området som er nærmest p-typer området, først diffuserer inn i p-typer området og dermed skaper et lag av positive ubewegelige donorioner i n-typer området ved siden av forbindelsen.

På samme måte, de frie hullene i p-typer området som er nærmest n-typer området, diffuserer først inn i n-typer området og dermed skaper et lag av negative ubewegelige akseptorioner i p-typer området ved siden av forbindelsen. Disse positive og negative ionlagene skaper et elektrisk felt overfor forbindelsen, som peker fra positiv til negativ, altså fra n-typer side til p-typer side. Nå, på grunn av tilstedeværelsen av dette elektriske feltet, opplever ladningsbærerne i kristallen en kraft til å drifte i retning av dette elektriske feltet. Som vi vet, drifter positiv lading alltid i retning av elektrisk felt, så de positivt ladde hullene (hvis noen) i n-typer området, drifter nå til p-siden av forbindelsen.

På den andre siden, negativt ladde elektroner i p-typer området (hvis noen) drifter til n-området, da negativ lading alltid drifter motsatt retning av elektrisk felt. Overfor en p-n-forbindelse fortsetter diffusjon og drift av ladningsbærere. Diffusjon av ladningsbærere skaper og øker tykkelsen av potensiell barriere overfor forbindelsen, og drift av ladningsbærere reduserer tykkelsen av barriere. Under normale termiske likevektsforhold og i fravær av eksterne krefter, er diffusjon av ladningsbærere lik og motsatt drift av ladningsbærere, slik at tykkelsen av potensiell barriere blir fastsatt.

Nå eksponeres n-typer overflaten av silisiumkristallblokken for sollys. Noen av fotonene absorberes av silisiumblokken. Noen av de absorberte fotonene vil ha mer energi enn energiforholdet mellom valens- og ledningsbandet av valenselektroner i silisiumatommene. Derfor vil noen av valenselektronene i koblingen bli oppeksert og hoppe ut av koblingen, etterlatende et hull i koblingen. På denne måten genereres elektron-hullpar i kristallen på grunn av indirekte lys. Hullene av disse lysgenererte elektron-hullpar i n-typer siden har nok sannsynlighet for rekombinasjon med enorme elektroner (majoritetsbærere). Derfor er solcelle designet slik at lysgenererte elektroner eller hull ikke får nok sjanser til å rekombinere med majoritetsbærere.

Den halvleder (silisium) er så dopet at p-n-forbindelsen dannes i nærheten av den eksponerte overflaten av cellen. Hvis et elektron-hullpar opprettes innenfor ett minoritetsbærerdiffusjonslengde av forbindelsen, vil elektronene av elektron-hullparet drifte mot n-typer området, og hullene av paret vil bli sveipt til p-området på grunn av påvirkningen av elektrisk felt i forbindelsen, og dermed vil det i gjennomsnitt bidra til strøm flyt i en ekstern krets.

Erklæring: Respekt original, god artikkel verdt deling, ved kränkning kontakt slett.