Qurşaq pillərinin və ya fotovoltqa pillələrin işləmə prinsipi
İşıq enerjisinin elektrik enerjisine çevrilməsi, fotoelektrik effekt adlı bir fenomena əsaslanır. Nəqliyici maddələr işığa maraqda olarkən, işıq qızılçalarının bəzi fotonları nəqliyici kristal tərəfindən sorbulyur və bu da kristaldakı özgür elektronların sayını artırır. Bu, fotoelektrik effektin nəticəsində elektrik enerjisi yaradılmasının əsas səbəbidir. Fotoelektrik element işıq enerjisi ilə elektrik enerjisi yaratmaq üçün istifadə edilən sistemnin əsas vahidi olur. Silis, fotoelektrik elementin inşaasında ən çox istifadə olunan nəqliyici maddədir. Silis atomu dörd valent elektronu var. Qatı halda hər bir silis atomu öz dörd valent elektronunu bir daha yaxın olan silis atomu ilə paylaşır və onlar arasında kovalent bağlar yaratır. Bu şəkildə, silis kristali tetraedrik latis strukturu alır. İşıq şüası hər hansı bir maddəyə çarpan zaman, işığın bir hissəsi maddədən geri çəkilir, bir hissəsi maddədən keçir və qalan hissəsi maddə tərəfindən sorbulyur.
İşığın silis kristalına düşməsi zamanı da eyni şey baş verir. Ehtiva edilən işığın intensivliyi kifayət qədər yüksəkdirsə, kristal tərəfindən kifayət qədər foton sorbulyur və bu fotonlar, növbə ilə, kovalent bağlardakı bəzi elektronları heyvanlaşdırır. Bu heyvanlaşmış elektronlar sonra valent zonadan konduksiya zonasına keçmək üçün kifayət qədər enerji əldə edirlər. Bu elektronların enerji səviyyəsi konduksiya zonasındakı kovalent bağdan ayrılaraq, ardında bir qovul yaradır. Bu özgür elektronlar silis kristalının strukturunun içində rasgele hərəkət edir. Bu özgür elektronlar və qovullar, fotoelektrik elementdə elektrik yaratmaqda vacib rol oynayır. Bu elektronlar və qovullar, növbə ilə, işıq tərəfindən yaradılan elektronlar və qovullar adlandırılır. Bu işıq tərəfindən yaradılan elektronlar və qovullar yalnız silis kristalında elektrik yarada bilmirlər. Buna lazım olan bir qabaqcıl mekanizm olmalıdır.
Fosfor kimi beşvalent ziyandar silise əlavə ediləndə, hər bir beşvalent fosfor atomunun dörd valent elektronu kovalent bağlar vasitəsilə dörd komşu silis atomu ilə paylaşırlar və beşinci valent elektron kovalent bağ yaratmaq üçün heç bir imkan tapa bilmir.
Bu beşinci elektron, öz atası atomla nisbətən sıx bağlanır. Ota temperaturda də, kristalda mövcud olan termal enerji, bu nisbətən sıx bağlanmış beşinci elektronları atası fosfor atomundan ayırmaq üçün kifayət qədər böyükdür. Bu beşinci sıx bağlanmış elektron atası fosfor atomundan ayrıldıqda, fosfor atomu sabit pozitiv iyonlar halına gəlir. Ayrılmış bu elektron özgür olur, amma kristalda tamamlanmamış kovalent bağ və ya qovul yoxdur. Bu özgür elektronlar, nəqliyici maddədə daima elektrik akımı keçirməyə hazırdır. Özgür elektronların sayı çox olsa da, maddə elektrik nöqtəvi neutral qalır, çünki kristal strukturunun içində qapanmış pozitiv fosfor iyonlarının sayı, onlardan çıxan özgür elektronların sayına bərabərdir. Nəqliyici maddəyə ziyandar əlavə etmə prosesi dozlaşdırma adlanır və ziyandar dozantlar adlanır. Beşvalent dozantlar, nəqliyici kristala beşinci özgür elektronlarını verdikləri üçün vericilər adlanır. Verici ziyandarlara dozlaşdırılmış nəqliyicilər, növbə ilə, n-tipi və ya mənfi tipli nəqliyici adlanır, çünki onlarda çox sayda mənfi yüklü özgür elektron var.
Beşvalent fosfor atomlarının əvəzinə, boron kimi üçvalent ziyandar nəqliyici kristalına əlavə ediləndə, əks tipli nəqliyici yaradılır. Bu halda, kristal latisindəki bəzi silis atomları boron atomları ilə əvəz olunur, digər sözlə, boron atomları latis strukturunda əvəz olunan silis atomlarının yerini tuturlar. Boron atomunun üç valent elektronu üç komşu silis atomunun valent elektronu ilə cüt olaraq üç tam kovalent bağ yaratır. Bu konfiqurasiya üçün, hər bir boron atomu üçün bir silis atomu var və onun dördüncü valent elektronu tamamlanmamış dördüncü kovalent bağ üçün komşu valent elektron tapa bilmir. Bu səbəbdən, bu silis atomların dördüncü valent elektronu tamamlanmamış bağ kimi qalır. Beləliklə, tamamlanmamış bağda bir elektron eksikliyi var və bu bağ daima bu eksikliyi tamamlamaq üçün elektronu çəkir. Bu nöqtədən, elektron üçün boşluq var.
Bu boşluq, konseptual olaraq müsbət qovul adlanır. Üçvalent ziyandarla dozlaşdırılmış nəqliyici maddədə, bir çox kovalent bağlar başqa tamamlanmamış kovalent bağlara tamamlanmaq üçün daima kırılır. Bir bağ kırıldığında, onda bir qovul yaradılır. Bir bağ tamamlandığında, ondaki qovul ortaya çıxır. Bu şəkildə, bir qovulun ortaya çıxması, bir başqa qovulun ortaya çıxmasına səbəb olur. Beləliklə, qovullar nəqliyici kristalın içində nisbətən hərəkət edir. Bu nöqtədən, qovulların da nəqliyici kristalın içində özgür elektronlar kimi özgür hərəkət etməsi deyilə bilər. Hər bir qovul bir elektron qəbul edə biləndən, üçvalent ziyandarlar qəbul edicilər adlanır və qəbul edicilər ziyandarla dozlaşdırılmış nəqliyicilər p-tipi və ya müsbət tipli nəqliyici adlanır.
N-tipi nəqliyicidə əsasən özgür elektronlar mənfi yük taşır və p-tipi nəqliyicidə əsasən qovullar müsbət yük taşır, beləliklə, n-tipi nəqliyicidəki özgür elektronlar və p-tipi nəqliyicidəki özgür qovullar, növbə ilə, n-tipi və p-tipi nəqliyicilərdəki əksər taşıyıcılar adlanır.
N-tipi və p-tipi material arasında həmişə potensial barier var. Bu potensial barier, fotoelektrik və ya güneş elementinin işləməsi üçün vacibdir. N-tipi nəqliyici və p-tipi nəqliyici bir-birinə toxunanda, n-tipi nəqliyiciyə yaxın olan özgür elektronlar p-tipi materialın yaxın yerlərindəki çoxsaylı qovulları tapırlar. Beləliklə, n-tipi nəqliyiciyə yaxın olan özgür elektronlar p-tipi materialın yaxın yerlərindəki qovullara keçir və yenidən birleşir. Yalnız özgür elektronlar deyil, n-tipi materialın toxunma səthinə yaxın olan valent elektronları da kovalent bağdan çıxıb, p-tipi nəqliyicinin daha yaxın yerlərindəki qovullarla yenidən birleşir. Kovalent bağlar kırıldığından, n-tipi materialın toxunma səthinə yaxın yerlərində bir sıra qovul yaradılır. Beləliklə, toxunma zonasında, p-tipi materialdakı qovullar yenidən birleşmə nəticəsində ortaya çıxır, lakin n-tipi materialın eyni toxunma zonasına yaxın yerlərində qovullar yaradılır. Bu, p-tipi materialdan n-tipi nəqliyiciyə qovulların köçüşü kimi təsvir edilə bilər. Deməli, bir n-tipi nəqliyici və bir p-tipi nəqliyici toxunanda, n-tipi nəqliyicidən p-tipi nəqliyiciyə elektronlar köçür və p-tipi nəqliyicidən n-tipi nəqliyiciyə qovullar köçür. Bu proses çox sürətlidir, amma sonsuz davam etmir. Bir an sonra, toxunma səthinin yanına p-tipi nəqliyiciyə bitişik mənfi yük (artıq elektronlar) tabakası yaradılır. Eyni kimi, toxunma səthinin yanına n-tipi nəqliyiciyə bitişik müsbət yük (pozitiv iyonlar) tabakası yaradılır. Bu mənfi və müsbət yük tabakalarının qalınlığı bir limitə qədər artar, amma sonra, n-tipi nəqliyicidən p-tipi nəqliyiciyə daha çox elektron köçməyəcək. Bu, n-tipi nəqliyicidən her hansı bir elektron p-tipi nəqliyiciyə köçməyə çalışdıqda, n-tipi nəqliyiciyə bitişik olan müsbət iyonların yeterli qalınlığa malik olduğunu görür və bu iyonlar, onu keçməzdən əvvəl buraxacaqdır. Eyni kimi, qovullar n-tipi nəqliyiciyə p-tipi nəqliyicidən daha çox köçməyəcək. Qovullar p-tipi nəqliyiciyə bitişik olan mənfi tabakayı keçməyə çalışdıqda, elektronlarla yenidən birleşir və n-tipi bölgəyə doğru daha çox hərəkət etməyəcək.
Digər sözlə, p-tipi tərəfdəki mənfi yük tabakası və n-tipi tərəfdəki müsbət yük tabakası birlikdə, yük taşıyıcıların bir tərəfdən öbək tərəfə köçməsinə qarşı olan bir barier yaradır. Eyni kimi, p-tipi bölgədəki qovullar n-tipi bölgəyə keçməyənə qədər saxlanılır. Müsbət və mənfi yük tabakaları səbəbindən, bu bölgədə elektrik sahası yaradılır və bu bölgə "depleksiya tabakası" adlanır.
İndi silis kristalinə gəlin. İşıq şüası kristal üzərinə çarpan zaman, işığın bir hissəsi kristal tərəfindən sorbulyur və nəticədə, valent elektronların bir hissəsi heyvanlaşır və kovalent bağdan çıxıb, özgür elektron-qovul cütü yaradır.
Əgər işıq n-tipi nəqliyiciyə çarpsa, işıq tərəfindən yaradılan elektron-qovul cütündən olan elektronlar, depleksiya tabakası üzərindəki elektrik sahası tərəfindən itilənən potensial barieri keçə bilmədikləri üçün p-bölğəyə köçməyənə qədər saxlanılır. Eyni zamanda, işıq tərəfindən yaradılan qovullar, depleksiya tabakası tərəfindən çəkilən elektrik sahası tərəfindən depleksiya bölgəsini keçir və orada elektronlarla yenidən birleşir. Sonra, buradaki elektron eksikliyi p-bölğəsinin valent elektronları ilə kompensasiya olunur və bu, p-bölğədə bir neçə qovul yaradır. Beləliklə, işıq tərəfindən yaradılan qovullar p-bölğəsinə köçür və orada saxlanılır, çünki bir dəfə p-bölğəyə gəldikdən sonra, potensial barier tərəfindən itilərək n-tipi bölgəyə qayıta bilməyəcəklər.
Mənfi yük (işıq tərəfindən yaradılan elektronlar) bir tərəfdə saxlanıldığında və müsbət yük (işıq tərəfindən yaradılan qovullar) elementin əks tərəfində saxlanıldığında, elementin bu iki tərəfi arasında potensial fərq yaradılır. Bu potensial fərq tipik olaraq 0.5 V-dır. Bu, fotoelektrik elementlər və ya günəş elementləri potensial fərq yaradmaqla işləyir.
Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.
