Kaj je fotovoltaični učinek?

Učinek, s katerim se svetlobna energija pretvori v električno energijo v določenih polprevodnih materialih, se imenuje fotovoltaični učinek. Ta neposredno pretvarja svetlobno energijo v električno brez kakršnekoli posredne faze. Za demonstracijo fotovoltaičnega učinka predpostavimo blok krystalne silicije.
Gornji del tega bloka je odkužen z donorskimi impurities in spodnji del z akceptorskimi impurities. Zato je koncentracija prostih elektronov v n-tipi območju veliko višja kot v p-tipi območju, medtem ko je koncentracija luknj v p-tipi območju veliko višja kot v n-tipi območju bloka. V bloku bo na premici spoja velika koncentracijska gradienta nosilcev naboja. Prosti elektroni iz n-tipi območja skušajo difundirati v p-tipi območje, lukenje v p-tipi območju pa skuša difundirati v n-tipi območje v kristalu. To je zato, ker se nosilci naboja po naravi vedno skušajo difundirati iz območij z visoko koncentracijo v območja z nizko koncentracijo. Vsak prost elektron iz n-tipi območja, ki zaradi difuzije pride v p-tipi območje, za seboj pusti pozitivno donorsko iono v n-tipi območju.

To je zato, ker vsak prost elektron v n-tipi območju prispeva en neutralni donatorski atom. Podobno, ko se luknja difundira iz p-tipi območja v n-tipi območje, za seboj pusti negativno akceptorsko iono v p-tipi območju.

Ker vsaka luknja prispeva en akceptorski atom v p-tipi območju. Oba ionska, donatorska in akceptorska, so nepremikljiva in fiksirana na svojem mestu v kristalni strukturi. Je nepotreben povedati, da se najbolj bližnji prosti elektroni n-tipi območja p-tipi območju prvi difundirajo v p-tipi območje, kar ustvari sloj pozitivnih nepremikljivih donatorskih ionov v n-tipi območju ob premici spoja.

Podobno se najbolj bližnje proste luknje p-tipi območja n-tipi območju prvi difundirajo v n-tipi območje, kar ustvari sloj negativnih nepremikljivih akceptorskih ionov v p-tipi območju ob premici spoja. Te pozitivne in negativne ionske koncentracije ustvarijo električno polje preko spoja, ki je usmerjeno od pozitivnega proti negativnemu, torej od n-tipi strani proti p-tipi strani. Zaradi prisotnosti tega električnega polja se nosilci naboja v kristalu izkušajo silo, ki jih poganja v smeri tega električnega polja. Kot vemo, se pozitivni naboj vedno giblje v smeri električnega polja, zato se zdaj pozitivno nabiti luknje (če obstajajo) v n-tipi območju gibljejo proti p-strani spoja.

Na drugi strani se negativno nabiti elektroni v p-tipi območju (če obstajajo) gibljejo proti n-območju, ker se negativni naboj vedno giblje nasprotno smeri električnega polja. Preko p-n spoja se difuzija in drift nosilcev naboja nadaljuje. Difuzija nosilcev naboja ustvarja in povečuje debelino potencialnega bariere preko spoja, medtem ko drift nosilcev naboja zmanjša debelino bariere. V normalnem termalnem ravnovesju in v odsotnosti kakršnekoli zunanje sile je difuzija nosilcev naboja enaka in nasprotna driftu nosilcev naboja, zato ostane debelina potencialnega bariere fiksna.

N-tipo površina bloka silicija je izpostavljena soncu. Nekateri fotoni so absorbirani s strani bloka silicija. Nekateri absorbirani fotoni bodo imeli večjo energijo kot energijska vrzel med valentnim in provodnim pasom valentnih elektronov atoma silicija. Zato bodo nekateri valentni elektroni v kovalentnem vezu izvedeni in skočili iz vezu, kar pusti luknjo v vezu. Na ta način se generirajo para elektron-luknja v kristalu zaradi incidenčne svetlobe. Luknje teh svetlobno generiranih parov elektron-luknja na n-tipi strani imajo dovolj veliko verjetnost rekonverzije s ogromnimi elektroni (glavnimi nosilci). Zato je solarne celice tako razvrščene, da svetlobno generirani elektroni ali luknje ne bodo imeli dovolj možnosti, da se rekonverzirajo z glavnimi nosilci.

Polprevodnik (silicij) je tako odkužen, da se p-n spoj oblikuje zelo blizu izpostavljeni površini celice. Če se para elektron-luknja ustvari znotraj ene dolžine difuzije manjšinskih nosilcev od spoja, se elektroni para elektron-luknja gibljejo proti n-tipi območju, medtem ko se luknja para pod vplivom električnega polja spoja poganja v p-območje, zato na povprečju prispeva k tok v zunanjem krogu.

Izjava: Spoštujte original, dobre članke so vredne delitve, če pride do kršitve avtorskih pravic, se obvestite zbris.