Что такое фотоэлектрический эффект?

Эффект, при котором энергия света преобразуется в электрическую энергию в определенных полупроводниковых материалах, называется фотovoltaическим эффектом. Этот процесс напрямую преобразует энергию света в электричество без каких-либо промежуточных этапов. Для демонстрации фотovoltaического эффекта предположим кристалл кремния. Верхняя часть этого блока легирована донорными примесями, а нижняя часть — акцепторными примесями. Следовательно, концентрация свободных электронов в n-области значительно выше, чем в p-области, и концентрация дырок в p-области значительно выше, чем в n-области блока. Будет высокий градиент концентрации носителей заряда по линии соединения блока. Свободные электроны из n-области пытаются диффундировать в p-область, а дырки в p-области — в n-область кристалла. Это происходит потому, что носители заряда по своей природе всегда стремятся диффундировать из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Когда каждый свободный электрон из n-области переходит в p-область за счет диффузии, он оставляет за собой положительный донорный ион в n-области.

Это происходит потому, что каждый свободный электрон в n-области предоставлен одним нейтральным донорным атомом. Аналогично, когда дырка диффундирует из p-области в n-область, она оставляет за собой отрицательный акцепторный ион в p-области.

Поскольку каждая дырка предоставлена одним акцепторным атомом в p-области. Оба этих иона, то есть донорные ионы и акцепторные ионы, неподвижны и закреплены на своих позициях в кристаллической структуре. Необходимо отметить, что те свободные электроны из n-области, которые ближе всего к p-области, первыми диффундируют в p-область, создавая слой положительных неподвижных донорных ионов в n-области, прилегающей к переходу.

Аналогично, те свободные дырки из p-области, которые ближе всего к n-области, первыми диффундируют в n-область, создавая слой отрицательных неподвижных акцепторных ионов в p-области, прилегающей к переходу. Эти положительные и отрицательные ионы создают электрическое поле через переход, направленное от положительного к отрицательному, то есть от n-стороны к p-стороне. Теперь, благодаря наличию этого электрического поля, носители заряда в кристалле испытывают силу, которая заставляет их дрейфовать в направлении этого электрического поля. Как известно, положительный заряд всегда дрейфует в направлении электрического поля, поэтому положительно заряженные дырки (если они есть) в n-области теперь дрейфуют к p-стороне перехода.

С другой стороны, отрицательно заряженные электроны в p-области (если они есть) дрейфуют к n-области, так как отрицательный заряд всегда дрейфует в противоположном направлении электрического поля. Через p-n переход продолжается диффузия и дрейф носителей заряда. Диффузия носителей заряда создает и увеличивает толщину потенциального барьера через переход, а дрейф носителей заряда уменьшает толщину барьера. В нормальных условиях термодинамического равновесия и в отсутствие внешних сил, диффузия носителей заряда равна и противоположна дрейфу носителей заряда, поэтому толщина потенциального барьера остается постоянной.

Теперь поверхность n-типа кристалла кремния подвергается воздействию солнечного света. Некоторые фотоны поглощаются кристаллом кремния. Некоторые из поглощенных фотонов будут иметь энергию, превышающую энергию запрещенной зоны между валентной и проводящей зонами валентных электронов атомов кремния. Поэтому некоторые валентные электроны в ковалентных связях будут возбуждены и выйдут из связи, оставляя за собой дырку в связи. Таким образом, пары электрон-дырка генерируются в кристалле под действием света. Дырки этих световых пар электрон-дырка в n-области имеют достаточно высокую вероятность рекомбинации с огромным количеством электронов (основные носители). Поэтому солнечная батарея спроектирована таким образом, чтобы световые электроны или дырки не имели достаточно шансов для рекомбинации с основными носителями.

Полупроводник (кремний) легирован таким образом, что p-n переход формируется в очень близком расположении к открытой поверхности элемента. Если пара электрон-дырка создается в пределах одной длины диффузии меньшинства носителей заряда, электроны этой пары будут дрейфовать к n-области, а дырка будет сметена к p-области под влиянием электрического поля перехода, и, следовательно, в среднем, это будет способствовать току в внешней цепи.

Заявление: Уважайте оригинальные, хорошие статьи, достойные обмена, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.