Werkprinsipe van Soncel of Fotoniese Sel

Die omskakeling van ligenergie na elektriese energie is gebaseer op 'n verskynsel genaamd die fotovoltaiese effek. Wanneer halwegeleiermateriaal blootgestel word aan lig, word sommige van die fotonne in die ligstraal geabsorbeer deur die kristal van die halwegeleier, wat lei tot 'n beduidende aantal vry elektrone in die kristal. Dit is die basiese rede vir die produsie van elektrisiteit as gevolg van die fotovoltaiese effek. 'n Fotovoltaiese sel is die basiese eenheid van die stelsel waar die fotovoltaiese effek gebruik word om elektrisiteit uit ligenergie te produseer. Silisium is die mees wydverspreide halwegeleiermateriaal vir die bou van fotovoltaiese selle. Die silisium-atoom het vier valensielektrone. In 'n vaste kristal deel elke silisium-atoom elk van sy vier valensielektrone met 'n ander naaste silisium-atoom, wat kovalente bande tussen hulle skep. Op hierdie manier kry die silisiumkristal 'n tetraëdriese roosterstruksuur. Wanneer 'n ligstraal op enige materiaal inval, word 'n deel van die lig gereflekteer, 'n deel word deur die materiaal doorgelaat, en die res word deur die materiaal geabsorbeer.

Dieselfde gebeur wanneer lig op 'n silisiumkristal inval. As die intensiteit van die insidende lig hoegenoeg is, word 'n voldoende aantal fotonne deur die kristal geabsorbeer, en hierdie fotonne, op hul beurt, opwind sommige van die elektrone van die kovalente bande. Hierdie opgewonde elektrone kry dan voldoende energie om van die valensiesband na die geleiersband te migreer. Aangesien die energieniveaus van hierdie elektrone in die geleidersband is, verlaat hulle die kovalente bande en laat 'n holte agter by elke verwyderde elektron. Hierdie word vry elektrone genoem en beweeg ewekansig binne die kristalstruktuur van die silisium. Hierdie vry elektrone en holtes speel 'n belangrike rol in die skepping van elektrisiteit in 'n fotovoltaiese sel. Hierdie elektrone en holtes word onderskeidelik lig-gegenereerde elektrone en holtes genoem. Hierdie lig-gegenereerde elektrone en holtes kan nie alleen elektrisiteit in die silisiumkristal produseer nie. Daar moet 'n addisionele meganisme wees om dit te doen.

Wanneer 'n pentavalente onreinheid soos fosfor by silisium gevoeg word, word die vier valensielektrone van elke pentavale fosfor-atoom deur kovalente bande gedeel met vier naaste silisium-atome, en die vyfde valensielektron kry geen kans om 'n kovalente band te skep nie.

Hierdie vyfde elektron is dan relatief los gebond aan sy ouer atoom. Selfs by kamertemperatuur is die termiese energie beskikbaar in die kristal groot genoeg om hierdie relatief los vyfde elektrone van hul ouer fosfor-atoom te skyn. Terwyl hierdie vyfde relatief los elektron van die ouer fosfor-atoom geskei word, bly die fosfor-atoom as 'n positiewe ion agter. Die geskeide elektron word vry, maar het geen onvolledige kovalente band of holte in die kristal om weer te assosieer nie. Hierdie vry elektrone kom van pentavale onreinheid en is altyd gereed om stroom in die halwegeleier te geleid. Alhoewel daar 'n aantal vry elektrone is, is die stof steeds elektries neutraal, omdat die aantal positiewe fosfor-ionne binne die kristalstruktuur presies gelyk is aan die aantal vry elektrone wat daaruit kom. Die proses van onreinheid invoer in die halwegeleier staan bekend as doping, en die onreinheid wat ingedope word, staan bekend as dopant. Die pentavale dopant wat hul vyfde vry elektron aan die halwegeleierkristal doneer, staan bekend as donors. Halwegeleiers wat met donor-onreinheid gedopeer word, staan bekend as n-tipe of negatiewe tipe halwegeleier, omdat daar 'n rykdom aan vry elektrone is wat natuurlik negatief gelaaft is.

Wanneer in plaas van pentavale fosfor-atome, trivale onreinheid-atome soos boor by 'n halwegeleierkristal gevoeg word, word 'n teenoorgestelde tipe halwegeleier geskep. In hierdie geval sal sommige silisium-atome in die kristalrooster vervang word deur boor-atome, met ander woorde, die boor-atome sal die posisies van vervangde silisium-atome in die roosterstruktuur inneme. Drie valensielektrone van die boor-atoom sal paartjie maak met die valensielektron van drie naaste silisium-atome om drie volledige kovalente bande te skep. Vir hierdie konfigurasie sal daar 'n silisium-atoom wees vir elke boor-atoom, waarvan die vierde valensielektron nie 'n naaste valensielektron vind om sy vierde kovalente band te voltooi nie. Hierdie vierde valensielektron van hierdie silisium-atome bly dus ongepaard en gedra as 'n onvolledige band. So sal daar 'n tekort aan een elektron in die onvolledige band wees, en 'n onvolledige band trek altyd 'n elektron aan om hierdie tekort te vul. As sodanig, is daar 'n plek vir die elektron om te sit.

Hierdie vakansie word konseptueel 'n positiewe holte genoem. In 'n trivale onreinheidgedopeerde halwegeleier, word 'n beduidende aantal kovalente bande voortdurend gebreek om ander onvolledige kovalente bande te voltooi. Wanneer een band gebreek word, word 'n holte daarin geskep. Wanneer een band voltooi word, verdwyn die holte daarin. Op hierdie manier, lyk dit asof 'n holte verdwyn en 'n ander naaste holte verskyn. As sodanig het holtes relatiewe beweging binne die halwegeleierkristal. Uit hierdie perspektief kan dit gesê word dat holtes ook vry kan beweeg soos vry elektrone binne die halwegeleierkristal. Aangesien elke holte 'n elektron kan aanvaar, staan trivale onreinheid bekend as akseptordopants, en halwegeleiers wat met akseptordopants gedopeer word, staan bekend as p-tipe of positiewe tipe halwegeleier.

In n-tipe halwegeleier dra hoofsaaklik die vry elektrone 'n negatiewe laai, en in p-tipe halwegeleier dra hoofsaaklik die holtes 'n positiewe laai, daarom word vry elektrone in n-tipe halwegeleier en vry holtes in p-tipe halwegeleier onderskeidelik hoofdraers in n-tipe halwegeleier en p-tipe halwegeleier genoem.

Daar is altyd 'n potensiaalbarrière tussen n-tipe en p-tipe materiaal. Hierdie potensiaalbarrière is noodsaaklik vir die werk van 'n fotovoltaiese of sonseel. Wanneer n-tipe halwegeleier en p-tipe halwegeleier met mekaar in kontak kom, kry die vry elektrone naby die kontakoppervlak van die n-tipe halwegeleier 'n rykdom aan naaste holtes van die p-tipe materiaal. Daarom spring die vry elektrone in die n-tipe halwegeleier naby sy kontakoppervlak oor na die naaste holtes van die p-tipe materiaal om te herverbind. Nie net vry elektrone, maar ook valensielektrone van die n-tipe materiaal naby die kontakoppervlak kom uit die kovalente bande en herverbind met meer naaste holtes in die p-tipe halwegeleier. Aangesien die kovalente bande gebreek word, sal daar 'n aantal holtes geskep word in die n-tipe materiaal naby die kontakoppervlak. Dus, naby die kontakzone, verdwyn die holtes in die p-tipe materiaal as gevolg van herverbinding, terwyl holtes in die n-tipe materiaal naby dieselfde kontakzone verskyn. Dit is soos die migrasie van holtes van p-tipe na n-tipe halwegeleier. Sodra 'n n-tipe halwegeleier en 'n p-tipe halwegeleier in kontak kom, sal elektrone van n-tipe oorvloei na p-tipe en holtes van p-tipe oorvloei na n-tipe. Die proses is baie vinnig, maar gaan nie ewig voort nie. Na 'n rukkie, sal daar 'n laag negatiewe laai (oormaatse elektrone) in die p-tipe halwegeleier langs die kontakoppervlak wees. Gelykso, sal daar 'n laag positiewe laai (positiewe ionne) in die n-tipe halwegeleier langs die kontakoppervlak wees. Die dikte van hierdie negatiewe en positiewe laag vermeerder tot 'n sekere mate, maar daarna sal geen meer elektrone oorvloei van n-tipe halwegeleier na p-tipe halwegeleier nie. Dit is omdat, wanneer enige elektron van n-tipe halwegeleier probeer oor te vloei na p-tipe halwegeleier, dit 'n voldoende dik laag positiewe ionne in die n-tipe halwegeleier self teëkom, waar dit sonder oorsteek val. Gelykso, sal holtes nie meer oorvloei na n-tipe halwegeleier vanaf p-tipe nie. Wanneer holtes probeer oor die negatiewe laag in die p-tipe halwegeleier te vloei, herverbind hulle met elektrone en beweeg hulle nie meer na die n-tipe streek nie.

Met ander woorde, die negatiewe laag aan die p-kant en die positiewe laag aan die n-kant vorm saam 'n barrière wat die migrasie van ladingdraggers van die een kant na die ander teenwerk. Gelykso, word holtes in die p-streek teruggehou om die n-streek te betree. As gevolg van die positiewe en negatiewe gelaaide lae, is daar 'n elektriese veld oor die streek, en hierdie streek word 'n uitputtinglaag genoem.

Kom ons kyk nou na die silisiumkristal. Wanneer 'n ligstraal die kristal raak, word 'n deel van die lig deur die kristal geabsorbeer, en as gevolg daarvan word sommige van die valensielektrone opgewonde en kom uit die kovalente bande, wat vry elektron-holtepare veroorsaak.

As lig die n-tipe halwegeleier raak, is die elektrone van sulke lig-gegenereerde elektron-holtepare nie in staat om na die p-streek te migreer nie, omdat hulle nie in staat is om die potensiaalbarrière te oorskry weens die afstoting van die elektriese veld oor die uitputtinglaag nie. Tegelykertyd, kruis die lig-gegenereerde holtes die uitputtinglaag as gevolg van die aantrekking van die elektriese veld van die uitputtinglaag, waar hulle met elektrone herverbind, en dan word die tekort aan elektrone hier gelykgestel deur die valensielektrone van die p-streek, en dit skep soveel holtes in die p-streek. As sodanig, word die lig-gegenereerde holtes na die p-streek geskuif, waar hulle vasgevang word omdat hulle, eenmaal in die p-streek, nie in staat is om terug te keer na die n-tipe streek nie, weens die afstoting van die potensiaalbarrière.

Aangesien die negatiewe laai (lig-gegenereerde elektrone) aan die een kant vasgevang word en die positiewe laai (lig-gegenereerde holtes) aan die teenoorgestelde kant van die sel, sal daar 'n potensiaalverskil tussen hierdie twee kante van die sel wees. Hierdie potensiaalverskil is tipies 0.5 V. Dit is hoe 'n fotovoltaiese selle of sonsele 'n potensiaalverskil produseer.

Verklaring: Respekteer die oorspronklike, goeie artikels wat waard is om gedeel te word, indien daar inbreuk is maak asb. kontak vir verwydering.