Arbejdsprincip for solcelle eller fotovoltaisk celle
Omvandling af lysenergi til elektrisk energi baserer sig på et fænomen kaldet fotovoltaisk effekt. Når halvledermaterialer udsættes for lys, absorberes nogle af lysets fotoner af halvlederkristallet, hvilket giver anledning til en betydelig mængde frie elektroner i kristallet. Dette er den grundlæggende årsag til produktion af elektricitet som følge af fotovoltaiske effekt. Fotovoltaisk celle er det grundlæggende enhed i systemet, hvor fotovoltaiske effekt udnyttes til at producere elektricitet fra lysenergi. Silicium er det mest anvendte halvledermaterial til konstruktion af fotovoltaiske celler. Siliciumatom har fire valenselektroner. I et fast kristal deler hvert siliciumatom hver af sine fire valenselektroner med et andet nærliggende siliciumatom, hvilket skaber kovalente bindinger mellem dem. På denne måde får siliciumkristallet et tetraederisk gitterstruktur. Når lys stråler på materialer, reflekteres en del af lyset, en del transmitteres gennem materialerne, og resten absorberes af materialerne.
Det samme sker, når lys falder på et siliciumkristal. Hvis intensiteten af det indgående lys er tilstrækkelig høj, absorberes tilstrækkeligt antal fotoner af kristallet, og disse fotoner opvekker derefter nogle af de elektroner, der er knyttet til kovalente bindinger. Disse opvekkede elektroner får herefter tilstrækkelig energi til at migrere fra valensbåndet til ledningsbåndet. Da energiniveauet for disse elektroner er i ledningsbåndet, forlader de kovalente bindinger og efterlader huler i bindingen bag hvert fjernet elektron. Disse kaldes frie elektroner, der bevæger sig tilfældigt inden for siliciumkristallens struktur. Disse frie elektroner og huler spiller en afgørende rolle i produktionen af elektricitet i fotovoltaiske celler. Disse elektroner og huler kaldes henholdsvis lys-genererede elektroner og huler. Disse lys-genererede elektroner og huler kan ikke alene producere elektricitet i siliciumkristallet. Der skal være en yderligere mekanisme for at gøre dette.
Når en pentavalent forurening som fosfor tilføjes til silicium, deles de fire valenselektroner for hvert pentavalent fosforatom gennem kovalente bindinger med fire nabosiliciumatomer, og den femte valenselektron har ikke mulighed for at danne en kovalent binding.
Denne femte elektron er så relativt løst bundet til sin moderatom. Endda ved rumtemperatur er den termiske energi, der er tilgængelig i kristallet, stor nok til at frigøre disse relativt løse femte elektroner fra deres moderfosforatom. Når denne femte relativt løse elektron frigøres fra moderfosforatomet, bliver fosforatomet immobile positive ioner. Den sagde frigjorte elektron bliver fri, men har ikke nogen ufuldstændige kovalente bindinger eller huler i kristallet, som den kan genassocieres med. Disse frie elektroner, der kommer fra pentavalente forurenninger, er altid parate til at lede strøm i halvlederen. Selvom der er mange frie elektroner, er stoffet dog elektrisk neutralt, da antallet af positive fosforioner, der er låst ind i kristalstrukturer, præcis svarer til antallet af frie elektroner, der kommer ud af dem. Processen med at indsætte forurenninger i halvlederen kaldes doping, og forurenningerne, der dopes, kaldes dopanter. De pentavalente dopanter, der donerer deres femte frie elektron til halvlederkristallet, kaldes donorer. Halvledere, der er doped med donorforurenninger, kaldes n-type eller negativ type halvledere, da der er mange frie elektroner, der er negativt ladet af naturen.
Når isteden for pentavalente fosforatomer trivalente forureningsatomer som bor tilføjes til et halvlederkristal, oprettes det modsatte type halvleder. I dette tilfælde vil nogle siliciumatomer i kristallgitteret blive erstattet af boratomer, med andre ord vil boratomerne tage pladsen af erstattede siliciumatomer i gitterstrukturer. Tre valenselektroner af boratom vil parre sig med valenselektron af tre nabosiliciumatomer for at danne tre komplette kovalente bindinger. For denne konfiguration vil der være et siliciumatom for hvert boratom, hvis fjerde valenselektron ikke finder nogen nabovalenselektroner for at fuldføre sin fjerde kovalente binding. Derfor forbliver denne fjerde valenselektron af disse siliciumatomer uparret og opfører sig som en ufuldstændig binding. Så der vil være mangel på et elektron i den ufuldstændige binding, og en ufuldstændig binding tiltager altid elektroner for at opfylde dette mangel. Som sådan er der en ledig plads for elektronet at sætte sig på.
Denne ledighed kaldes konceptuelt positiv hul. I en trivalent forureningsdopet halvleder, er en betydelig mængde kovalente bindinger konstant brudt for at fuldføre andre ufuldstændige kovalente bindinger. Når én binding er brudt, oprettes en hul i den. Når én binding er fuldført, forsvinder hulen i den. På denne måde ser det ud, som om én hul forsvinder, mens en anden nabo-hul dukker op. Som sådan har hullerne relativ bevægelse inden for halvlederkristallet. Set i dette perspektiv kan det siges, at hullerne også kan bevæge sig frit som frie elektroner inden for halvlederkristallet. Eftersom hver hul kan acceptere et elektron, kaldes trivalente forureninger acceptor-dopanter, og halvledere, der er doped med acceptor-dopanter, kaldes p-type eller positiv type halvledere.
I n-type halvledere bærer hovedsageligt de frie elektroner negativ ladning, og i p-type halvledere bærer huler hovedsageligt positiv ladning, derfor kaldes de frie elektroner i n-type halvledere og de frie huller i p-type halvledere henholdsvis for majoritetsbærere i n-type halvledere og p-type halvledere.
Der findes altid en potentielbarriere mellem n-type og p-type materiale. Denne potentielbarriere er afgørende for funktionen af en fotovoltaisk eller solcelle. Når n-type halvleder og p-type halvleder kommer i kontakt med hinanden, får de frie elektroner nær kontaktoverfladen af n-type halvleder masser af nabohuller i p-type materialet. Derfor springer de frie elektroner i n-type halvleder nær dens kontaktoverflade over til nabohullerne i p-type materialet for at rekombinere. Ikke kun de frie elektroner, men også valenselektroner af n-type materiale nær kontaktoverfladen kommer ud af kovalente bindinger og rekombinerer med mere nærliggende huller i p-type halvlederen. Da kovalente bindinger er brudt, vil der være en række huller oprettet i n-type materialet nær kontaktoverfladen. Derfor forsvinder hullerne i p-type materialer nær kontaktsonen på grund af rekombination, mens hullerne dukker op i n-type materialet nær samme kontaktsone. Dette er således ligesom migrationen af huller fra p-type til n-type halvleder. Så snart en n-type halvleder og en p-type halvleder kommer i kontakt, vil elektroner fra n-type overføres til p-type, og huller fra p-type overføres til n-type. Processen er meget hurtig, men fortsætter ikke evigt. Efter et øjeblik vil der være et lag af negativ ladning (overskydende elektroner) i p-type halvlederen tæt på kontaktoverfladen. Ligeså vil der være et lag af positiv ladning (positive ioner) i n-type halvlederen tæt på kontaktoverfladen. Tykkelsen af disse negative og positive ladningslag øges op til en vis grænse, men herefter vil ingen flere elektroner migrere fra n-type halvleder til p-type halvleder. Dette skyldes, at når ethvert elektron fra n-type halvleder forsøger at migrere over p-type halvleder, møder det et tilstrækkeligt tykt lag af positive ioner i n-type halvlederen selv, hvor det falder ned uden at krydse det. Ligeså vil huller ikke længere migrere til n-type halvleder fra p-type. Hullerne, når de forsøger at krydse det negative lag i p-type halvleder, vil rekombinere med elektroner, og der vil ikke være mere bevægelse mod n-type regionen.
Med andre ord, det negative ladningslag på p-siden og det positive ladningslag på n-siden danner sammen en barriere, der modvirker migrationen af ladningsbærere fra den ene side til den anden. Ligeså holdes hullerne i p-regionen tilbage fra at indgå i n-regionen. På grund af de positive og negative ladningslag vil der være et elektrisk felt tværs over regionen, og denne region kaldes forarmet lag.
Lad os nu se på siliciumkristallet. Når lysstrålen rammer kristallet, absorberes en del af lyset af kristallet, og dermed opvekses nogle af de valenselektroner, og kommer ud af kovalente bindinger, hvilket resulterer i frie elektron-hul-par.
Hvis lys rammer n-type halvleder, er elektroner fra sådanne lys-genererede elektron-hul-par ikke i stand til at migrere til p-regionen, da de ikke kan krydse potentielbarrieren på grund af afvisningen af det elektriske felt tværs over forarmet lag. Samtidig krydser lys-genererede huller forarmet lag på grund af tiltrækningen af det elektriske felt i forarmet lag, hvor de rekombinerer med elektroner, og manglen på elektroner her er kompenseret af valenselektroner fra p-regionen, og dette skaber lige så mange huller i p-regionen. Således flyttes lys-genererede huller til p-regionen, hvor de fanges, da de, når de kommer til p-regionen, ikke kan vende tilbage til n-type regionen på grund af afvisningen af potentielbarrieren.
Da den negative ladning (lys-genererede elektroner) er fanget på den ene side, og den positive ladning (lys-genererede huller) er fanget på den anden side af cellen, vil der være en spændingsforskelle mellem disse to sider af cellen. Denne spændingsforskelle er typisk 0.5 V. Sådan producerer fotovoltaiske celler eller solceller en spændingsforskelle.
Erklæring: Respektér det originale, godt artikler er værd at dele, hvis der er krænkelse kontakt for sletning.
