Що таке фотоелектричний ефект

Ефект, завдяки якому енергія світла перетворюється на електричну енергію в певних півпровідникових матеріалах, відомий як фотоелектричний ефект. Це безпосередньо перетворює енергію світла на електроенергію без будь-яких проміжних процесів. Для демонстрації фотоелектричного ефекту припустимо блок кристалу кремнію.
Верхня частина цього блоку доповнюється донорними домішками, а нижня частина - акцепторними домішками. Тому концентрація вільних електронів значно вища в n-області порівняно з p-областю, а концентрація дірок значно вища в p-області порівняно з n-областю блоку. Буде висока градієнтна концентрація носіїв заряду по лінії сполучення блоку. Вільні електрони з n-області намагаються дифузувати до p-області, а дірки в p-області - до n-області в кристалі. Це тому, що носії заряду за природою завжди тендують до дифузії з областей високої концентрації в області низької концентрації. Кожен вільний електрон з n-області, дифундує до p-області, залишає позитивний донорний іон у n-області.

Це тому, що кожен вільний електрон в n-області надається одним нейтральним донорним атомом. Аналогічно, коли дірка дифундує з p-області до n-області, вона залишає від'ємний акцепторний іон у p-області.

Оскільки кожна дірка надається одним акцепторним атомом в p-області. Обидва ці іони, тобто донорні іони та акцепторні іони, неподвижні та закріплені на своїх місцях в кристалічній структурі. Не потрібно казати, що ті вільні електрони з n-області, які найближчі до p-області, спочатку дифундують в p-області, в результаті чого створюється шар позитивних неподвижних донорних іонів в n-області, суміжній до сполучення.

Аналогічно, ті вільні дірки з p-області, які найближчі до n-області, спочатку дифундують в n-області, в результаті чого створюється шар від'ємних неподвижних акцепторних іонів в p-області, суміжній до сполучення. Ці позитивні та від'ємні іони створюють електричне поле по лінії сполучення, яке направляється від позитивного до від'ємного, тобто від n-області до p-області. Тепер через наявність цього електричного поля, носії заряду в кристалі діють сила, що змушує їх дрейфувати в напрямку цього електричного поля. Як ми знаємо, позитивний заряд завжди дрейфує в напрямку електричного поля, тому позитивно заряджені дірки (якщо такі є) в n-області тепер дрейфують до p-сторони сполучення.

З іншого боку, від'ємно заряджені електрони в p-області (якщо такі є) дрейфують до n-області, оскільки від'ємний заряд завжди дрейфує проти напрямку електричного поля. По p-n сполученню продовжується дифузія та дрейф носіїв заряду. Дифузія носіїв заряду створює та збільшує товщину потенціального бар'єру по лінії сполучення, а дрейф носіїв заряду зменшує товщину бар'єру. У нормальних умовах термічного рівноваги та відсутності будь-яких зовнішніх сил, дифузія носіїв заряду дорівнює та протилежна дрейфу носіїв заряду, тому товщина потенціального бар'єру залишається фіксованою.

Тепер n-поверхня кристалу кремнію викладена на сонце. Деякі фотони поглинаються кремнієвим блоком. Деякі з поглинених фотонів мають енергію, більшу за енергетичний розрив між валентною та провідною зонами валентних електронів атомів кремнію. Тому деякі валентні електрони в ковалентному зв'язку будуть збуджені та випадуть зі зв'язку, залишивши дірку. Таким чином, через вплив світла в кристалі створюються пари електрон-дірка. Дірки цих світлових пар електрон-дірка в n-області мають достатню ймовірність рекомбінації з великою кількістю електронів (основні носії). Тому сolar cell так розроблений, що світлові електрони або дірки не отримають достатньо можливостей для рекомбінації з основними носіями.

Півпровідник (кремній) так доповнюється, що p-n сполучення формується дуже близько до викладеної поверхні клітини. Якщо пара електрон-дірка створюється в межах однієї довжини дифузії меншості носіїв заряду, електрони пари електрон-дірка будуть дрейфувати до n-області, а дірка пари - до p-області через вплив електричного поля сполучення, і таким чином, в середньому, це буде сприяти потоку струму в зовнішньому контурі.

Заява: Поважайте оригінал, добрих статей варто поділитися, якщо є порушення авторських прав, зверніться для видалення.