Работен принцип на сolar cell или photovoltaic cell
Преобразуването на светлинната енергия в електрическа енергия се основава на феномен, наречен фотovoltaичен ефект. Когато полупроводниковите материали са изложени на светлина, някои от фотоните на светлинния лъч се поглъщат от кристалите на полупроводника, което причинява значително количество свободни електрони в кристала. Това е основната причина за производството на електричество благодарение на фотovoltaичния ефект. Фотovoltaичната клетка е основната единица на системата, където фотovoltaичният ефект се използва за производство на електричество от светлинна енергия. Силиций е най-широко използваният полупроводников материал за изграждане на фотovoltaичната клетка. Атомът на силиция има четири валентни електрона. В твърд кристал всеки атом на силиций споделя всеки от своите четири валентни електрона с друг близък атом на силиций, като създава ковалентни връзки между тях. По този начин, кристалът на силиция получава тетраедрална решетчеста структура. Когато светлинния лъч удари някой материал, част от светлината се отразява, част преминава през материала, а останалата част се поглъща от материала.
Същото се случва, когато светлината падне върху кристал на силиций. Ако интензитетът на падащата светлина е достатъчен, достатъчно количество фотони се поглъщат от кристала и тези фотони, посредством, възбуждат някои от електроните на ковалентните връзки. Тези възбудени електрони след това получават достатъчно енергия, за да мигрират от валентна зона в проводна зона. Тъй като енергийният ниво на тези електрони е в проводната зона, те напускат ковалентната връзка, оставяйки дупка в връзката зад всеки премахнат електрон. Тези свободни електрони се движат случайно в кристалната структура на силиция. Тези свободни електрони и дупки играят важна роля в създаването на електричество в фотovoltaичната клетка. Тези електрони и дупки се наричат съответно светлинно-генерираните електрони и дупки. Тези светлинно-генерирани електрони и дупки сами по себе си не могат да произвеждат електричество в кристала на силиция. Трябва да има допълнителен механизъм, за да се направи това.
Когато пентавалентен примес, като фосфор, се добави към силиция, четирите валентни електрона на всеки пентавалентен атом на фосфор се споделят чрез ковалентни връзки с четири съседни атома на силиций, а петият валентен електрон не получава възможност да създаде ковалентна връзка.
Този пети електрон е относително слабо свързан с родителския си атом. Дори при стайна температура, термалната енергия, налична в кристала, е достатъчна, за да разедини тези относително слабо свързани пети електрони от родителския атом на фосфор. Когато този пети относително слабо свързан електрон се разедини от родителския атом на фосфор, атомът на фосфор се превръща в неподвижен положителен ион. Разединеният електрон става свободен, но няма никаква непълна ковалентна връзка или дупка в кристала, за да се реасоциира. Тези свободни електрони, идващи от пентавалентния примес, винаги са готови да провеждат ток в полупроводника. Въпреки че има множество свободни електрони, веществото все още е електрически нейтрално, тъй като броят на положителните иони на фосфор, заключени в кристалната структура, е точно равен на броя на свободните електрони, излезли от тях. Процесът на добавяне на примеси в полупроводника се нарича допиране, а примесите, които се допират, се наричат допанти. Пентавалентните допанти, които предоставят своите пети свободни електрони на полупроводниковия кристал, се наричат донори. Полупроводниците, допирани с донорски примеси, се наричат n-тип или отрицателен тип полупроводник, тъй като има много свободни електрони, които по природа са отрицателно заредени.
Когато вместо пентавалентни атоми на фосфор, тривалентни примесни атоми, като бор, се добавят към кристал на полупроводник, се създава противоположен тип полупроводник. В този случай, някои атоми на силиций в кристалната решетка ще бъдат заменени от атоми на бор, с други думи, атомите на бор ще заемат местата на заменените атоми на силиций в решетчатата структура. Три валентни електрона на атома на бор ще се двойчат с валентните електрони на три съседни атома на силиций, за да създадат три пълни ковалентни връзки. За тази конфигурация, за всеки атом на бор, четвъртият валентен електрон, който няма да намери съседни валентни електрони, за да завърши своята четвърта ковалентна връзка. Ето защо четвъртият валентен електрон на тези атоми на силиций остава непарен и се държи като непълна връзка. Така ще има недостиг на един електрон в непълната връзка, и затова непълната връзка винаги привлича електрон, за да попълни този недостиг. По този начин, има празно място, където електронът може да седне.
Това празно място концептуално се нарича положителна дупка. В полупроводник, допиран с тривалентни примеси, значителен брой ковалентни връзки се разбиват постоянно, за да завършат други непълни ковалентни връзки. Когато една връзка се разбие, се създава една дупка в нея. Когато една връзка се завърши, дупката в нея изчезва. По този начин, една дупка изглежда изчезва, а друга съседна дупка се появява. Така дупките имат относително движение в кристалната структура на полупроводника. От гледна точка, може да се каже, че дупките също могат да се движат свободно като свободни електрони в кристалната структура на полупроводника. Тъй като всяка дупка може да приеме един електрон, тривалентните примеси се наричат акцепторни допанти, а полупроводниците, допирани с акцепторни допанти, се наричат p-тип или положителен тип полупроводник.
В n-тип полупроводник, главно свободните електрони носят отрицателен заряд, а в p-тип полупроводник, главно дупките носят положителен заряд, така че свободните електрони в n-тип полупроводник и свободните дупки в p-тип полупроводник се наричат основни носители на заряд в n-тип и p-тип полупроводник съответно.
Винаги има потенциална преграда между n-тип и p-тип материал. Тази потенциална преграда е необходима за работата на фотovoltaична или слънчева клетка. Когато n-тип полупроводник и p-тип полупроводник се съединят, свободните електрони близо до контактната повърхност на n-тип полупроводник получават множество съседни дупки от p-тип материала. Затова свободните електрони в n-тип полупроводник близо до контактната повърхност скачат към съседните дупки на p-тип материала, за да се рекомбинират. Не само свободните електрони, но и валентните електрони на n-тип материала близо до контактната повърхност излизат от ковалентната връзка и се рекомбинират с по-близките дупки в p-тип полупроводника. Тъй като ковалентните връзки се разбиват, ще се създаде множество дупки в n-тип материала близо до контактната повърхност. Ето защо, близо до контактната зона, дупките в p-тип материала изчезват поради рекомбинация, а от друга страна, дупките се появяват в n-тип материала близо до същата контактна зона. Това е равно на миграцията на дупките от p-тип към n-тип полупроводник. Така, веднага щом един n-тип полупроводник и един p-тип полупроводник се съберат, електроните от n-тип ще се прехвърлят към p-тип, а дупките от p-тип ще се прехвърлят към n-тип. Процесът е много бърз, но не продължава вечно. След известно време, ще се образува слой от отрицателен заряд (излишни електрони) в p-тип полупроводника, близо до контактната повърхност. Подобно, ще се образува слой от положителен заряд (положителни иони) в n-тип полупроводника, близо до контактната повърхност. Дебелината на тези слоеве с отрицателен и положителен заряд се увеличава до определена степен, но след това вече няма да се мигрират повече електрони от n-тип полупроводник към p-тип полупроводник. Това е защото, когато някой електрон от n-тип полупроводник се опита да мигрира над p-тип полупроводник, той среща достатъчно дебел слой от положителни иони в самия n-тип полупроводник, където ще падне, без да го пресече. Подобно, дупките вече няма да мигрират към n-тип полупроводник от p-тип. Дупките, когато се опитват да пресекат отрицателния слой в p-тип полупроводника, се рекомбинират с електрони и вече няма движение към областта на n-тип.
С други думи, отрицателният слой заряд в p-тип страна и положителният слой заряд в n-тип страна заедно формират преграда, която противодейства на миграцията на носителите на заряд от едната страна към другата. Подобно, дупките в p-тип област са задържани от влизане в n-тип област. Благодарение на положителния и отрицателния заряден слой, ще има електрическо поле през региона, и този регион се нарича обезпопулационен слой.
Сега нека се върнем към кристала на силиций. Когато светлинния лъч удари кристала, част от светлината се поглъща от кристала, и в резултат, някои от валентните електрони се възбуждат и излизат от ковалентната връзка, създавайки свободни електрон-дупкови двойки.
Ако светлината удари n-тип полупроводник, електроните от тези светлинно-генерирани електрон-дупкови двойки не могат да мигрират към p-региона, тъй като не могат да пресекат потенциалната преграда поради отблъскването на електрическото поле през обезпопулационния слой. В същото време, светлинно-генерирани дупки пресичат обезпопулационния регион поради привличането на електрическото поле на обезпопулационния слой, където се рекомбинират с електрони, и тогава недостигът на електрони тук се компенсира от валентните електрони на p-региона, и това създава толкова много дупки в p-региона. Така светлинно-генерирани дупки се преместват към p-региона, където са уловени, защото, веднъж стигнат там, не могат да се върнат обратно към n-тип региона поради отблъскването на потенциалната преграда.
Тъй като отрицателният заряд (светлинно-генерирани електрони) е уловен от едната страна, а положителният заряд (светлинно-генерирани дупки) е уловен от противоположната страна на клетката, ще има потенциална разлика между тези две страни на клетката. Тази потенциална разлика е обикновено 0.5 V. По този начин, фотovoltaичните клетки или слънчеви клетки произвеждат потенциална разлика.
Заявление: Почитайте оригинала, добри статии са стойни за споделяне, ако има нарушение на права, моля се свържете за изтриване.
