Princip fungování solární či fotovoltaické buňky
Převod světelné energie na elektrickou energii je založen na jevu nazývaném fotoelektrický efekt. Když polovodičové materiály jsou vystaveny světlu, některé fotony světelného paprsku jsou pohlceny krystalovou strukturou polovodiče, což způsobí uvolnění velkého množství volných elektronů v krystalu. Toto je základní důvod pro vytváření elektřiny díky fotoelektrickému efektu. Fotocel je základní jednotkou systému, kde se fotoelektrický efekt využívá k produkci elektřiny ze světelné energie. Křemík je nejrozšířenějším polovodičovým materiálem používaným pro výrobu fotocel. Atom křemíku má čtyři valenční elektrony. V pevném krystalu každý atom křemíku sdílí každého ze svých čtyř valenčních elektronů s jiným nejbližším atomem křemíku, což vytváří kovalentní vazby mezi nimi. Tímto způsobem získává křemíkový krystal tetraedrickou mřížovou strukturu. Když světelný paprsek dopadne na jakýkoli materiál, část světla se odrazí, část prosvítí skrz materiál a zbytek je absorbován materiálem.
Stejná věc se stane, když světlo dopadne na křemíkový krystal. Pokud je intenzita dopadajícího světla dostatečně vysoká, krystal pohltí dostatečné množství fotonů a tyto fotony, naopak, vyvolají některé elektrony kovalentních vazeb. Tyto excitované elektrony pak získají dostatečnou energii, aby se přesunuly z valenčního pásma do vodivého pásma. Jelikož je energetická hladina těchto elektronů v vodivém pásmu, opouštějí kovalentní vazbu a za každým odebraným elektronem zanechávají díru v vazbě. Tyto volné elektrony se náhodně pohybují uvnitř krystalové struktury křemíku. Tyto volné elektrony a díry mají klíčovou roli při vytváření elektřiny v fotoceli. Tyto elektrony a díry se proto nazývají světlem generované elektrony a díry. Tyto světlem generované elektrony a díry samy o sobě nemohou produkovat elektřinu v křemíkovém krystalu. Je třeba nějaké dodatečné mechanismy, aby to bylo možné.
Když se do křemíku přidá pětihalogenová impurity jako fosfor, čtyři valenční elektrony každého pětihalogenového atomu fosforu jsou sdíleny prostřednictvím kovalentních vazeb s čtyřmi sousedními atomy křemíku, a pátý valenční elektron nedostane šanci vytvořit kovalentní vazbu.
Tento pátý elektron je pak relativně slabě vázán na svůj mateřský atom. I při pokojové teplotě je termální energie dostupná v krystalu dostatečně velká, aby oddělila tyto relativně slabě vázané páté elektrony od jejich mateřského atomu fosforu. Když tento pátý relativně slabě vázaný elektron odpojí od mateřského atomu fosforu, atom fosforu se stane nepohyblivým pozitivním iontem. Uvedený odpojený elektron se stane volným, ale nemá žádnou neúplnou kovalentní vazbu nebo díru v krystalu, s kterou by se mohl znovu spojit. Tyto volné elektrony pocházející z pětihalogenových impurit jsou vždy připraveny vodit proud v polovodiči. Ačkoli existuje mnoho volných elektronů, látka zůstává elektricky neutrální, protože počet pozitivních iontů fosforu uzavřených v krystalové struktuře je přesně stejný jako počet volných elektronů, které z nich vycházejí. Proces vkládání impurit do polovodiče se nazývá dotace a impurity, které se dotují, se nazývají dotanty. Pětihalogenové dotanty, které darují svůj pátý volný elektron polovodičovému krystalu, se nazývají dárci. Polovodiče dotované dárcovskými impurity se nazývají n-typové nebo negativní typové polovodiče, protože obsahují mnoho volných elektronů, které jsou z povahy negativně nabité.
Pokud místo pětihalogenových atomů fosforu do polovodičového krystalu přidáme trojhalogenové impurity jako bor, vytvoří se opačný typ polovodiče. V tomto případě některé atomy křemíku v krystalové mříži budou nahrazeny atomy boru, jinak řečeno, atomy boru budou obsazovat pozice nahrazených atomů křemíku v mřížové struktuře. Tři valenční elektrony atomu boru se spárují s valenčními elektrony tří sousedních atomů křemíku, aby vytvořily tři kompletní kovalentní vazby. Pro tuto konfiguraci bude pro každý atom boru jeden atom křemíku, čtvrtý valenční elektron, který nenajde žádné sousední valenční elektrony, aby dokončil svou čtvrtou kovalentní vazbu. Proto tento čtvrtý valenční elektron těchto atomů křemíku zůstane nepárován a chová se jako neúplná vazba. Tedy bude chybět jeden elektron v neúplné vazbě, a tedy neúplná vazba vždy přitahuje elektron, aby splnila tuto chybějící část. Takže tam bude místo, kde se elektron může usadit.
Tato mezera je konceptuálně nazývána pozitivní díra. V polovodiči dotovaném trojhalogenovými impuritymi se průběžně rozrušuje významné množství kovalentních vazeb, aby se dokončily jiné neúplné kovalentní vazby. Když se jedna vazba rozruší, vytvoří se v ní jedna díra. Když se jedna vazba dokončí, díra v ní zmizí. Tímto způsobem se zdá, že jedna díra zmizí a objeví se další sousední díra. Tedy díry mají relativní pohyb uvnitř polovodičového krystalu. Z tohoto hlediska lze říct, že díry se také mohou volně pohybovat jako volné elektrony uvnitř polovodičového krystalu. Protože každá díra může přijmout elektron, trojhalogenové impurity se nazývají akceptorové dotanty a polovodiče dotované akceptorovými dotanty se nazývají p-typové nebo pozitivní typové polovodiče.
V n-typovém polovodiči převážně volné elektrony nesou negativní náboj a v p-typovém polovodiči převážně díry nesou pozitivní náboj, proto se volné elektrony v n-typovém polovodiči a volné díry v p-typovém polovodiči nazývají hlavní nosiče náboje v n-typovém a p-typovém polovodiči, respektive.
Mezi n-typovým a p-typovým materiálem vždy existuje potenciální bariéra. Tato potenciální bariéra je nezbytná pro fungování fotoelektrické nebo solární cely. Když n-typový polovodič a p-typový polovodič navzájem kontaktují, volné elektrony blízko kontaktní plochy n-typového polovodiče najdou dostatek sousedních dír p-typového materiálu. Proto volné elektrony v n-typovém polovodiči blízko kontaktní plochy přeskákají do sousedních dír p-typového materiálu, aby se rekombinovaly. Nejen volné elektrony, ale i valenční elektrony n-typového materiálu blízko kontaktní plochy vycházejí z kovalentních vazeb a rekombinují s více blízkými dírami v p-typovém polovodiči. Jelikož jsou kovalentní vazby rozrušeny, vznikne několik dír v n-typovém materiálu blízko kontaktní plochy. Tedy blízko kontaktní zóny díry v p-typovém materiálu zmizí kvůli rekombinaci, zatímco díry v n-typovém materiálu se objeví ve stejné kontaktní zóně. To je ekvivalentní migraci dír z p-typového do n-typového polovodiče. Jakmile se jeden n-typový polovodič a jeden p-typový polovodič setkají, elektrony z n-typového přenesou do p-typového a díry z p-typového přenesou do n-typového. Proces je velmi rychlý, ale nebude trvat navždy. Po nějaké chvíli vznikne vrstva negativního náboje (nadbytečné elektrony) v p-typovém polovodiči blízko kontaktní plochy. Obdobně vznikne vrstva pozitivního náboje (pozitivní ionty) v n-typovém polovodiči blízko kontaktní plochy. Tloušťka těchto vrstev negativního a pozitivního náboje se zvětší až do určité míry, ale poté už žádné elektrony nebudou migrovat z n-typového polovodiče do p-typového. To proto, že když se jakýkoliv elektron z n-typového polovodiče pokusí přejít do p-typového, narazí na dostatečně silnou vrstvu pozitivních iontů v n-typovém polovodiči, kde upadne, aniž by ji překonal. Obdobně díry už nebudou migrovat z p-typového do n-typového polovodiče. Díry, když se pokusí překonat negativní vrstvu v p-typovém polovodiči, se rekombinují s elektrony a už se nebudou pohybovat směrem k n-typové oblasti.
Jinými slovy, negativní vrstva náboje na straně p-typu a pozitivní vrstva náboje na straně n-typu společně tvoří bariéru, která brání migraci nosičů náboje z jedné strany na druhou. Obdobně díry v oblasti p-typu jsou zadržovány, aby nevstoupily do oblasti n-typu. Díky pozitivní a negativní vrstvě náboje vznikne elektrické pole napříč touto oblastí, která se nazývá depleční vrstva.
Nyní se vraťme ke křemíkovému krystalu. Když světelný paprsek dopadne na krystal, část světla je krystalem pohlcena a následně některé valenční elektrony jsou excitovány a vycházejí z kovalentní vazby, vytvářejí volné páry elektron-díra.
Pokud světlo dopadne na n-typový polovodič, elektrony z těchto světlem generovaných párů elektron-díra nejsou schopny migrovat do p-oblasti, protože nejsou schopny překonat potenciální bariéru kvůli odporu elektrického pole napříč depleční vrstvou. Zároveň světlem generované díry překonávají depleční oblast kvůli přitahování elektrického pole depleční vrstvy, kde se rekombinují s elektrony, a chybějící elektrony jsou nahrazeny valenčními elektrony p-oblasti, což vytváří stejný počet dír v p-oblasti. Tedy světlem generované díry jsou přesunuty do p-oblasti, kde jsou uloženy, protože až se dostanou do p-oblasti, nemohou se vrátit do n-typové oblasti kvůli odporu potenciální bariéry.
Jelikož je negativní náboj (světlem generované elektrony) uložen na jedné straně a pozitivní náboj (světlem generované díry) na opačné straně cely, vznikne potenciální rozdíl mezi těmito dvěma stranami cely. Tento potenciální rozdíl bývá typicky 0,5 V. Tímto způsobem fotoelektrické cely nebo solární cely produkují potenciální rozdíl.
Prohlášení: Respektujte původ, doba články jsou hodné zveřejnění, pokud dojde k porušení autorských práv, kontaktujte nás pro jejich odebrání.
