Co to jest efekt fotowoltaiczny

Efekt, w wyniku którego energia światła przekształca się w energię elektryczną w określonych materiałach półprzewodnikowych, nazywany jest efektem fotowoltaicznym. Ten proces bezpośrednio przekształca energię światła w prąd elektryczny bez żadnych pośrednich etapów. Aby zademonstrować efekt fotowoltaiczny, załóżmy blok kryształu krzemu. Górna część tego bloku jest domieszkowana donorami, a dolna akceptorami. Stąd koncentracja wolnych elektronów jest znacznie wyższa w regionie typu n niż w regionie typu p, a koncentracja dziur jest znacznie wyższa w regionie typu p niż w regionie typu n. Będzie to powodować wysoki gradient stężeń nośników ładunku wzdłuż linii styku bloku. Wolne elektrony z regionu typu n próbują dyfundować do regionu typu p, a dziury w regionie typu p próbują dyfundować do regionu typu n w kryształu. To jest spowodowane tym, że nośniki ładunku z natury zawsze tendują do dyfuzji z obszarów o wysokim stężeniu do obszarów o niskim stężeniu. Każdy wolny elektron z regionu typu n, który przez dyfuzję przenosi się do regionu typu p, pozostawia za sobą dodatni jon donora w regionie typu n.

To jest spowodowane tym, że każdy wolny elektron w regionie typu n jest dostarczany przez jeden neutralny atom donora. Podobnie, gdy dziura dyfunduje z regionu typu p do regionu typu n, pozostawia za sobą ujemny jon akceptor w regionie typu p.

Ponieważ każda dziura jest dostarczana przez jeden atom akceptor w regionie typu p. Oba te jony, czyli jony donory i akceptor, są nieruchome i stałe w strukturze kryształowej. Nie ma potrzeby mówić, że te wolne elektrony z regionu typu n, które są najbliżej regionu typu p, najpierw dyfundują do regionu typu p, tworząc warstwę dodatnich, nieruchomych jonów donory w regionie typu n przy styku.

Podobnie, te wolne dziury z regionu typu p, które są najbliżej regionu typu n, najpierw dyfundują do regionu typu n, tworząc warstwę ujemnych, nieruchomych jonów akceptor w regionie typu p przy styku. Te warstwy dodatnich i ujemnych jonów tworzą pole elektryczne wzdłuż styku, skierowane od dodatniej do ujemnej, czyli od strony typu n do strony typu p. W obecności tego pola elektrycznego nośnicy ładunku w kryształu doświadczają siły dryfu zgodnie z kierunkiem tego pola. Jak wiadomo, ładunek dodatni zawsze dryfuje zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego, więc dodatnio naładowane dziury (jeśli występują) w regionie typu n teraz dryfują do strony p styku.

Z drugiej strony, ujemnie naładowane elektrony w regionie typu p (jeśli występują) dryfują do regionu n, ponieważ ładunek ujemny zawsze dryfuje w kierunku przeciwnym do kierunku pola elektrycznego. Przez styk p-n dyfuzja i dryf nośników ładunku kontynuuje się. Dyfuzja nośników ładunku tworzy i zwiększa grubość bariery potencjałowej wzdłuż styku, a dryf nośników ładunku zmniejsza grubość bariery. W normalnym stanie równowagi termicznej i w braku jakichkolwiek zewnętrznych sił, dyfuzja nośników ładunku jest równa i przeciwna dryfowi nośników ładunku, dlatego grubość bariery potencjałowej pozostaje stała.

Teraz powierzchnia typu n kryształu krzemu jest narażona na światło słoneczne. Niektóre fotony są absorbowane przez blok krzemu. Niektóre z tych absorbowanych fotonów będą miały energię większą niż luka energetyczna między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia elektronów walencyjnych atomów krzemu. W związku z tym niektóre elektrony walencyjne w wiązaniu kowalencyznym zostaną pobudzone i wyskoczą z wiązania, pozostawiając za sobą dziurę w wiązaniu. W ten sposób pary elektron-dziura są generowane w krysztale pod wpływem padającego światła. Dziury z tych par elektron-dziura generowanych przez światło w regionie typu n mają duże prawdopodobieństwo rekombinacji z ogromną liczbą elektronów (głównymi nośnikami). Dlatego komórka słoneczna jest zaprojektowana tak, aby elektrony lub dziury generowane przez światło nie miały wystarczających szans na rekombinację z głównymi nośnikami.

Materiał półprzewodnikowy (krzem) jest domieszkowany w taki sposób, że styk p-n powstaje w bardzo bliskiej odległości od narażonej powierzchni komórki. Jeśli para elektron-dziura jest tworzona w odległości jednej długości dyfuzji mniejszościowego nośnika od styku, elektrony z pary elektron-dziura dryfują w kierunku regionu typu n, a dziura z pary jest przemieszczana do regionu p pod wpływem pola elektrycznego styku, co w rezultacie przyczynia się do przepływu prądu w zewnętrznym obwodzie.

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły są warte udostępniania, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o kontakt w celu usunięcia.