Principi de funcionament de la cèl·lula solar o fotovoltaica

La conversió d'energia lluminosa en energia elèctrica es basa en un fenòmen anomenat efecte fotovoltaic. Quan els materials semiconductors s'exposen a la llum, alguns dels fòtons del raig de llum són absorbits pel cristall semiconductor, el que provoca una quantitat significativa d'electrons lliures al cristall. Aquest és el motiu bàsic per a la producció d'electricitat deguda a l'efecte fotovoltaic. La cèl·lula fotovoltaica és la unitat bàsica del sistema on s'utilitza l'efecte fotovoltaic per produir electricitat a partir de l'energia lluminosa. El silici és el material semiconductor més utilitzat per construir la cèl·lula fotovoltaica. L'àtom de silici té quatre electrons de valència. En un cristall sòlid, cada àtom de silici comparteix cadascun dels seus quatre electrons de valència amb un altre àtom de silici proper, creant enllaços covalents entre ells. D'aquesta manera, el cristall de silici adquireix una estructura reticular tetraèdrica. Quan un raig de llum impacta qualsevol material, una part de la llum es reflecteix, una altra part es transmet a través del material i la resta es absorbeix pel material.

El mateix passa quan la llum incideix sobre un cristall de silici. Si la intensitat de la llum incident és suficient, un nombre suficient de fòtons són absorbits pel cristall i aquests fòtons, a la vegada, exciten alguns dels electrons dels enllaços covalents. Aquests electrons excitats llavors obtenen suficient energia per migrar de la banda de valència a la banda de conducció. Com que el nivell d'energia d'aquests electrons és a la banda de conducció, deixen l'enllaç covalent deixant un forat a l'enllaç darrere de cada electron eliminat. Aquests s'anomenen electrons lliures que es mouen de manera aleatòria a l'interior de l'estructura cristal·lina del silici. Aquests electrons lliures i forats tenen un paper vital en la creació d'electricitat en la cèl·lula fotovoltaica. Aquests electrons i forats s'anomenen respectivament electrons i forats generats per la llum. Aquests electrons i forats generats per la llum no poden produir electricitat en el cristall de silici sol. Hauria d'haver-hi algun mecanisme addicional per fer-ho.

Quan s'afegeix una impuretat pentavalent com el fòsfor al silici, els quatre electrons de valència de cada àtom de fòsfor pentavalent es comparteixen a través d'enllaços covalents amb quatre àtoms de silici veïns, i el cinquè electron de valència no té cap oportunitat de crear un enllaç covalent.

Aquest cinquè electron llavors està relativament poc vinculat amb el seu àtom pare. Fins i tot a temperatura ambiente, l'energia tèrmica disponible al cristall és prou gran per dissociar aquests electrons relativament llosos del seu àtom de fòsfor pare. Mentre aquest cinquè electron relativament llos es dissociu de l'àtom de fòsfor pare, l'àtom de fòsfor es converteix en ions positius immòbils. L'electron dissociat es converteix en lliure però no té cap enllaç covalent incomplet o forat al cristall per reassociar-se. Aquests electrons lliures provenents de les impuretes pentavalents estan sempre disposats a conduir la corrent en el semiconductor. Tot i que hi ha un nombre d'electrons lliures, encara la substància és neutra elèctricament ja que el nombre d'ions de fòsfor positius bloquejats a l'interior de l'estructura cristal·lina és exactament igual al nombre d'electrons lliures que surten d'ells. El procés d'afegir impuretes al semiconductor s'anomena dopatge, i les impuretes dopades s'anomenen dopants. Els dopants pentavalents que donen el seu cinquè electron lliure al cristall semiconductor s'anomenen donadors. Els semiconductors dopats amb impuretes donadores s'anomenen semiconductors de tipus n o negatiu, ja que hi ha molts electrons lliures que tenen càrrega negativa per natura.

Quan en lloc d'àtoms de fòsfor pentavalents, s'afegeixen àtoms d'impuretes trivalents com el bori a un cristall semiconductor, es crea un tipus oposat de semiconductor. En aquest cas, alguns àtoms de silici a la retícula cristal·lina seran substituïts per àtoms de bori, en altres paraules, els àtoms de bori ocuparan les posicions dels àtoms de silici substituïts a l'estructura reticular. Tres electrons de valència de l'àtom de bori es parellaran amb els electrons de valència de tres àtoms de silici veïns per crear tres enllaços covalents complets. Per aquesta configuració, hi haurà un àtom de silici per a cada àtom de bori, el quart electron de valència del qual no trobarà cap electron de valència veí per completar el seu quart enllaç covalent. Per tant, aquest quart electron de valència d'aquests àtoms de silici roman sense parellar i comporta com un enllaç incomplet. Així, hi haurà una falta d'un electron en l'enllaç incomplet, i per tant, un enllaç incomplet sempre atraiu electrons per omplir aquesta falta. Com tal, hi ha un lloc per a l'electron per asseure's.

Aquest lloc es denomina conceptualment forat positiu. En un semiconductor dopat amb impuretes trivalents, un nombre significatiu d'enllaços covalents es rompen continuament per completar altres enllaços covalents incomplets. Quan un enllaç es trenc, es crea un forat en ell. Quan un enllaç es completa, el forat en ell desapareix. D'aquesta manera, un forat sembla desaparèixer i un altre forat veí apareix. Com a tal, els forats tenen moviment relatiu a l'interior del cristall semiconductor. A la vista d'això, es pot dir que els forats també poden moure's lliurement com els electrons lliures a l'interior del cristall semiconductor. Com que cada forat pot acceptar un electron, les impuretes trivalents s'anomenen dopants acceptors i els semiconductors dopats amb dopants acceptors s'anomenen semiconductors de tipus p o positiu.

En el semiconductor de tipus n, principalment els electrons lliures porten càrrega negativa i en el semiconductor de tipus p, principalment els forats porten càrrega positiva, per tant, els electrons lliures en el semiconductor de tipus n i els forats lliures en el semiconductor de tipus p s'anomenen portadors majoritaris en el semiconductor de tipus n i p, respectivament.

Sempre hi ha una barriera de potencial entre el material de tipus n i p. Aquesta barriera de potencial és essencial per al funcionament d'una cèl·lula fotovoltaica o solar. Quan un semiconductor de tipus n i un de tipus p entren en contacte, els electrons lliures propers a la superfície de contacte del semiconductor de tipus n troben molts forats adjacents del material de tipus p. Per tant, els electrons lliures en el semiconductor de tipus n propers a la seva superfície de contacte salten als forats adjacents del material de tipus p per recombinar-se. No només els electrons lliures, sinó també els electrons de valència del material de tipus n propers a la superfície de contacte sortiran de l'enllaç covalent i es recombinaran amb forats més propers en el semiconductor de tipus p. Com que els enllaços covalents es trencaran, hi haurà un nombre de forats creats en el material de tipus n propers a la superfície de contacte. Per tant, a la zona de contacte, els forats en el material de tipus p desapareixen degut a la recombinació, mentre que els forats apareixen en el material de tipus n a la mateixa zona de contacte. Això és equivalent a la migració de forats del material de tipus p al de tipus n. Així, tan aviat com un semiconductor de tipus n i un de tipus p entren en contacte, els electrons del tipus n es transferiran al tipus p i els forats del tipus p es transferiran al tipus n. El procés és molt ràpid però no continua per sempre. Després d'un instant, hi haurà una capa de càrrega negativa (electrons excedents) en el semiconductor de tipus p adjacent al contacte a la superfície de contacte. De manera similar, hi haurà una capa de càrrega positiva (ions positius) en el semiconductor de tipus n adjacent al contacte a la superfície de contacte. L'espessor d'aquestes capes de càrrega negativa i positiva augmenta fins a un cert punt, però després, cap més electrons es migraran del semiconductor de tipus n al de tipus p. Això és perquè, quan qualsevol electron del semiconductor de tipus n intenta migrar al semiconductor de tipus p, es troba amb una capa suficientment grossa d'ions positius en el propi semiconductor de tipus n, on caurà sense travessar-la. De manera similar, els forats ja no migraran al semiconductor de tipus n des del de tipus p. Quan els forats intentin travessar la capa negativa en el semiconductor de tipus p, es recombinaran amb els electrons i no haurà més moviment cap a la regió de tipus n.

En altres paraules, la capa de càrrega negativa al costat de tipus p i la capa de càrrega positiva al costat de tipus n formen juntes una barriera que s'oposa a la migració de portadors de càrrega d'un costat a l'altre. De manera similar, els forats a la regió de tipus p són retenguts per entrar a la regió de tipus n. Degut a les capes carregades positivament i negativament, hi haurà un camp elèctric a través de la regió i aquesta regió s'anomena capa de despleció.

Ara passem al cristall de silici. Quan un raig de llum impacta el cristall, una part de la llum es absorbeix pel cristall, i en conseqüència, alguns dels electrons de valència s'exciten i surten de l'enllaç covalent, resultant en parells d'electrons lliures i forats.

Si la llum impacta un semiconductor de tipus n, els electrons dels parells d'electrons i forats generats per la llum no poden migrar a la regió de tipus p ja que no poden travessar la barriera de potencial degut a la repulsió del camp elèctric a través de la capa de despleció. Alhora, els forats generats per la llum travessen la regió de despleció degut a l'atracció del camp elèctric de la capa de despleció, on es recombinen amb els electrons, i llavors la falta d'electrons aquí es compensa pels electrons de valència de la regió de tipus p, i això fa que hi hagi tants forats a la regió de tipus p. Així, els forats generats per la llum es desplaçen a la regió de tipus p on queden atrapats perquè, una vegada arriben a la regió de tipus p, no poden tornar a la regió de tipus n degut a la repulsió de la barriera de potencial.

Com que la càrrega negativa (electrons generats per la llum) queda atrapada en un costat i la càrrega positiva (forats generats per la llum) queda atrapada en el costat oposat de la cèl·lula, hi haurà una diferència de potencial entre aquests dos costats de la cèl·lula. Aquesta diferència de potencial és típicament de 0,5 V. Així és com les cèl·lules fotovoltaiques o cèl·lules solars produeixen una diferència de potencial.

Declaració: Respecteu l'original, els bons articles mériten ser compartits, si hi ha alguna infracció contacteu per eliminar-lo.