Λειτουργικό Αρχή της Φωτοβολταϊκής Σελίδας ή Φωτοβολταϊκού Κυψέλης

Η μετατροπή της ενέργειας φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια βασίζεται σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται φωτοβολταϊκό αποτέλεσμα. Όταν υλικά διαχωριστών εκτίθενται στο φως, κάποιοι φωτόνιοι του φωτεινού ακτίνα απορροφούνται από το κρύσταλλο του διαχωριστικού, προκαλώντας την εμφάνιση σημαντικού αριθμού ελεύθερων ηλεκτρονίων στο κρύσταλλο. Αυτό είναι η βασική αιτία για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας λόγω του φωτοβολταϊκού αποτελέσματος. Φωτοβολταϊκό κύτταρο είναι η βασική μονάδα του συστήματος όπου το φωτοβολταϊκό αποτέλεσμα εκμεταλλεύεται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ενέργεια φωτός. Το πολυθείο είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο διαχωριστικό υλικό για την κατασκευή του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Το άτομο πολυθείου έχει τέσσερα βαλεντιακά ηλεκτρόνια. Σε ένα στερεό κρύσταλλο, κάθε άτομο πολυθείου μοιράζεται κάθε ένα από τα τέσσερα βαλεντιακά ηλεκτρόνια του με ένα άλλο πλησιέστερο άτομο πολυθείου, δημιουργώντας ομοσπονδιακά δεσμά μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο, το κρύσταλλο του πολυθείου παίρνει μια τετραέδρια ιστοστροφική δομή. Όταν ο φωτεινός ακτίνας πλήττει οποιαδήποτε υλικά, μέρος του φωτός αντικατοπτρίζεται, μέρος του διαπερνά τα υλικά και το υπόλοιπο απορροφάται από τα υλικά.

Το ίδιο συμβαίνει όταν το φως πέφτει σε ένα κρύσταλλο πολυθείου. Εάν η ένταση του εισερχόμενου φωτός είναι αρκετά μεγάλη, αρκετός αριθμός φωτονίων απορροφάται από το κρύσταλλο και αυτά τα φωτόνια, σε σειρά, ενεργοποιούν κάποια από τα ηλεκτρόνια των ομοσπονδιακών δεσμών. Αυτά τα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια έχουν τότε αρκετή ενέργεια για να μετακινηθούν από τη ζώνη βαλεντιακών στη ζώνη παραγωγής. Καθώς η ενεργειακή επίπεδο αυτών των ηλεκτρονίων είναι στη ζώνη παραγωγής, αυτά φεύγουν από το ομοσπονδιακό δεσμό αφήνοντας ένα κενό στο δεσμό πίσω από κάθε αφαιρεμένο ηλεκτρόνιο. Αυτά ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια που κινούνται τυχαία μέσα στην κρυσταλλική δομή του πολυθείου. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και τα κενά έχουν καθοριστικό ρόλο στη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας σε φωτοβολταϊκό κύτταρο. Αυτά τα ηλεκτρόνια και τα κενά ονομάζονται ηλεκτρόνια και κενά που παράγονται από το φως αντίστοιχα. Αυτά τα ηλεκτρόνια και κενά που παράγονται από το φως δεν μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια στο κρύσταλλο του πολυθείου μόνο. Θα πρέπει να υπάρχει κάποια επιπλέον μηχανισμός για να το κάνει αυτό.

Όταν προστίθεται ένα πενταβαλεντιακό επιμίγματος, όπως το φωσφόρο, στο πολυθείο, τα τέσσερα βαλεντιακά ηλεκτρόνια κάθε πενταβαλεντιακού άτομου φωσφόρου μοιράζονται μέσω ομοσπονδιακών δεσμών με τέσσερα γειτονικά άτομα πολυθείου, ενώ το πέμπτο βαλεντιακό ηλεκτρόνιο δεν έχει καμία ευκαιρία να δημιουργήσει ομοσπονδιακό δεσμό.

Αυτό το πέμπτο ηλεκτρόνιο τότε είναι σχετικά ελεύθερα δεμένο με το γονικό του άτομο. Ακόμη και σε δωμάτιο θερμοκρασίας, η θερμική ενέργεια που είναι διαθέσιμη στο κρύσταλλο είναι αρκετή για να αποσυνδεθούν αυτά τα σχετικά ελεύθερα πέμπτα ηλεκτρόνια από το γονικό τους άτομο φωσφόρου. Όταν αυτό το πέμπτο σχετικά ελεύθερο ηλεκτρόνιο αποσυνδέεται από το γονικό άτομο φωσφόρου, το άτομο φωσφόρου μετατρέπεται σε ακίνητο θετικό ιόν. Το εν λόγω αποσυνδεδεμένο ηλεκτρόνιο γίνεται ελεύθερο, αλλά δεν έχει καμία ολοκληρωμένη ομοσπονδιακή δεσμή ή κενό στο κρύσταλλο για να επανασυνδεθεί. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που προέρχονται από πενταβαλεντιακό επιμίγματος είναι πάντα έτοιμα να διαχειρίζονται ρεύμα στο διαχωριστικό. Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν αρκετά ελεύθερα ηλεκτρόνια, ακόμη και το υλικό είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, καθώς ο αριθμός των θετικών ιόντων φωσφόρου που είναι κλειδωμένα μέσα στην κρυσταλλική δομή είναι ακριβώς ίσος με τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων που προέρχονται από αυτά. Ο διαδικασία εισαγωγής επιμίγματος στο διαχωριστικό είναι γνωστή ως δοπαντισμός, και τα επιμίγματα που εισάγονται είναι γνωστά ως δοπαντικά. Τα πενταβαλεντιακά δοπαντικά που δίνουν το πέμπτο ελεύθερο ηλεκτρόνιο στο κρύσταλλο του διαχωριστικού είναι γνωστά ως δόντες. Τα διαχωριστικά που δοπαντίζονται με δοπαντικά δόντες είναι γνωστά ως n-τύπο ή αρνητικό τύπο διαχωριστικό, καθώς υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια που είναι φυσικά αρνητικά φορτισμένα.

Όταν αντί για πενταβαλεντιακά άτομα φωσφόρου, προστίθενται τριβαλεντιακά επιμίγματα, όπως το βόριο, σε ένα κρύσταλλο διαχωριστικού, δημιουργείται το αντίθετο τύπο διαχωριστικού. Σε αυτή την περίπτωση, κάποια άτομα πολυθείου στην κρυσταλλική δομή θα αντικατασταθούν από άτομα βόριου, δηλαδή τα άτομα βόριου θα καταλάβουν τις θέσεις των αντικατασταμένων άτομων πολυθείου στη δομή της δοχής. Τα τρία βαλεντιακά ηλεκτρόνια του άτομου βόριου θα ζευγοποιηθούν με τα βαλεντιακά ηλεκτρόνια τριών γειτονικών άτομων πολυθείου για να δημιουργήσουν τρία ολοκληρωμένα ομοσπονδιακά δεσμά. Για αυτή την διάταξη, θα υπάρχει ένα άτομο πολυθείου για κάθε άτομο βόριου, το τέταρτο βαλεντιακό ηλεκτρόνιο του οποίου δεν θα βρει κανένα γειτονικό βαλεντιακό ηλεκτρόνιο για να ολοκληρώσει το τέταρτο ομοσπονδιακό δεσμό. Επομένως, αυτό το τέταρτο βαλεντιακό ηλεκτρόνιο των άτομων πολυθείου παραμένει μη ζευγοποιημένο και συμπεριφέρεται ως ολοκληρωμένο δεσμό. Έτσι, θα υπάρχει έλλειψη ενός ηλεκτρονίου στο ολοκληρωμένο δεσμό, και, ως εκ τούτου, ένα ολοκληρωμένο δεσμό πάντα προσελκύει ηλεκτρόνιο για να καλύψει αυτή την έλλειψη. Ως εκ τούτου, υπάρχει μια θέση για ηλεκτρόνιο να καθίσει.

Αυτή η θέση ονομάζεται θεωρητικά θετικό κενό. Σε ένα διαχωριστικό που έχει δοπαντιστεί με τριβαλεντιακά επιμίγματα, ένα σημαντικό αριθμός ομοσπονδιακών δεσμών συνεχίζει να σπάνε για να ολοκληρώσει άλλα ολοκληρωμένα ομοσπονδιακά δεσμά. Όταν ένα δεσμό σπά, δημιουργείται ένα κενό σε αυτό. Όταν ένα δεσμό ολοκληρώνεται, το κενό σε αυτό εξαφανίζεται. Με αυτόν τον τρόπο, ένα κενό φαίνεται να εξαφανίζεται και ένα άλλο κενό να εμφανίζεται. Επομένως, τα κενά έχουν σχετική κίνηση μέσα στο κρύσταλλο του διαχωριστικού. Σε αυτή την οπτική, μπορεί να λεχθεί ότι τα κενά μπορούν επίσης να κινούνται ελεύθερα ως ελεύθερα ηλεκτρόνια μέσα στο κρύσταλλο του διαχωριστικού. Καθώς κάθε κενό μπορεί να αποδεχτεί ένα ηλεκτρόνιο, τα τριβαλεντιακά επιμίγματα είναι γνωστά ως αποδεκτικά δοπαντικά και τα διαχωριστικά που έχουν δοπαντιστεί με αποδεκτικά δοπαντικά είναι γνωστά ως p-τύπο ή θετικό τύπο διαχωριστικό.

Στο n-τύπο διαχωριστικό, κυρίως τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μεταφέρουν αρνητικό φορτίο και στο p-τύπο διαχωριστικό, κυρίως τα κενά μεταφέρουν θετικό φορτίο, επομένως τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο n-τύπο διαχωριστικό και τα ελεύθερα κενά στο p-τύπο διαχωριστικό ονομάζονται κυρίως μεταφορείς στο n-τύπο διαχωριστικό και p-τύπο διαχωριστικό αντίστοιχα.

Υπάρχει πάντα ένα δυναμικό εμπόδιο μεταξύ υλικού n-τύπου και p-τύπου. Αυτό το δυναμικό εμπόδιο είναι απαραίτητο για τη λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού ή ηλιακού κυττάρου. Όταν το n-τύπο διαχωριστικό και το p-τύπο διαχωριστικό επικοινωνούν, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κοντά στην επιφάνεια επαφής του n-τύπου διαχωριστικού βρίσκουν πληθώρα κενών του p-τύπου υλικού. Επομένως, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο n-τύπο διαχωριστικό κοντά στην επιφάνεια επαφής πηδάνε στα κενά του p-τύπου υλικού για ανασυνδυασμό. Όχι μόνο τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, αλλά και τα βαλεντιακά ηλεκτρόνια του n-τύπου υλικού κοντά στην επιφάνεια επαφής εξέρχονται από το ομοσπονδιακό δεσμό και ανασυνδυάζονται με πιο κοντινά κενά στο p-τύπο διαχωριστικό. Καθώς τα ομοσπονδιακά δεσμά σπάνε, θα υπάρξει ένας αριθμός κενών που θα δημιουργηθούν στο n-τύπο υλικό κοντά στην επιφάνεια επαφής. Επομένως, κοντά στην επιφάνεια επαφής, τα κενά στα p-τύπο υλικά εξαφανίζονται λόγω ανασυνδυασμού, ενώ τα κενά εμφανίζονται στο n-τύπο υλικό κοντά στην ίδια επιφάνεια επαφής. Αυτό είναι ισοδύναμο με τη μεταφορά κενών από το p-τύπο στο n-τύπο διαχωριστικό. Έτσι, όταν ένα n-τύπο διαχωριστικό και ένα p-τύπο διαχωριστικό έρθουν σε επαφή, τα ηλεκτρόνια από το n-τύπο θα μεταφέρονται στο p-τύπο και τα κενά α