Päikeseelemendi või fotogaalne elemendi tööprintsiip
Valguse energia ümber teisaldamine elektrikuvale toimub nähtusena, mida nimetatakse fotovoltaaliliseks efektiks. Kui valgusekiir läbib pooljuhendmaterjali, siis osa fotonidest absorbeeritakse pooljuhendkristallis, mis tekitab kristallis olulise hulga vabadest elektronidest. See on põhiline põhjus, miks fotovoltaalne efekt toob kaasa elektri tootmise. Fotovoltaalne lahing on süsteemi baaselement, kus fotovoltaalset efekti kasutatakse elektri tootmiseks valguseenergiast. Silitsium on laialdasemalt kasutatav pooljuhendmaterjal fotovoltaalsete lahingute ehitamiseks. Silitsiumi aatomil on neli valentsel elektronit. Täiusliku kristallis jagab igal silitsiumiaatom jagab igaüks oma nelja valentsel elektroni lähima silitsiumiaatomiga, luues nii kovalentseid sidemeid. Sellisel viisil saab silitsiumikristall tetraedrilise ristikujulise struktuuri. Kui valgusekiir tabab materjali, siis osa valgust heidetakse tagasi, osa läbib materjali ja ülejäänud osa absorbib materjal.
Sama toimub, kui valgus tabab silitsiumikristalli. Kui sündmusvalguse intensiivsus on piisavalt suur, siis kristall absorbit piisava arvu fotonide ja need fotonid omakorda pälvitavad mõned kovalentsed sidemed. Need pälvitatud elektronid saavad piisavalt energiat, et liikuda valentsesüst empiirilisse sündmusesse. Kuna nende elektronide energia tase on empiirilises sündmuses, jäävad nad kovalentsed sidemed, jätes tagasi igas eemaldatud elektroniga auka. Neid nimetatakse vabadeks elektronideks, mis liiguvad juhuslikult silitsiumikristalli ristiku struktuuris. Need vabad elektronid ja aukad mängivad olulist rolli elektri tootmisel fotovoltaalses lahingus. Need elektronid ja aukad nimetatakse vastavalt valgusest tekkinud elektronideks ja aukadeks. Nende valgusest tekkinud elektronide ja aukade ei saa iseenesest elektri toota silitsiumikristallis. Selleks peab olema mõni täiendav mehhanism.
Kui silitsiumile lisatakse viisväline segund (nt fosfor), siis iga viisväliste fosforaatomi neli valentsel elektroni jagatakse kovalentsed sidemedega nelja lähima silitsiumiaomaga, ja viies valents elektron ei saa võimalust luua kovalentsed sidemed.
See viies elektron on siis suhteliselt vaba sidemega oma vanema aatomiga. Isegi ruumalamadel on kristallis piisavalt termilist energiat, et eraldada need suhteliselt vabad elektronid nende vanema fosforaatomist. Kui see viies suhteliselt vaba elektron eraldub vanema fosforaatomist, siis fosforaatom muutub liikumatuks positiivseks iooniks. Eraldatud elektron muutub vabaks, kuid tal pole kristallis mingit ebapiinast kovalentsed sideme või auka, millega ta uuesti siduda. Need vabad elektronid, mis tulevad viisvälisest segundist, on alati valmis joontejoonides kulutama pooljuhendis. Kuigi vabaid elektrone on palju, on ainult elektriliselt neutraalne, kuna positiivsete fosforioonide arv, mis on lukustatud kristallstruktuuri sees, on täpselt võrdne vabade elektronide arvuga, mis neist tulenevad. Protsess, milles pooljuhendisse lisatakse segundeid, on teada dopinguna, ja lisatud segundid on teada dopingtanina. Viisvälised dopingtanid, mis annavad oma viienda vaba elektroni pooljuhendkristallile, on teada andjate dopingtanina. Pooljuhendid, mis on dopeditud andjatega, on teada n-tüübi või negatiivse tüübi pooljuhendina, kuna neis on palju vabu elektrone, mis on loomulikult negatiivselt laetud.
Kui silitsiumikristalli asemel lisatakse kolmväline segund (nt boor), siis luuakse vastandpoolne tüüp pooljuhendit. Sel juhul asendatakse mõned silitsiumiaatomid kristalliristikus booraatomidega, teisisõnu, booraatomid võtavad asendatud silitsiumiaatomite kohta ristikustruktuuris. Booraatomi kolm valentsel elektroni paaritakse kolme naaber silitsiumiaomi valentsel elektroniga, luues kolm täielikku kovalentsed sideme. Selle konfiguratsiooni korral on iga booraatomile silitsiumiaatom, mille neljas valentsel elektron ei leia naaber valentsel elektrone, et täita oma neljas kovalentsed sideme. Seega jääb see neljas valentsel elektron nende silitsiumiaatomite jaoks üksi ja käitub ebapiinast sideme kui. Seega on ebapiinast sidemes ühe elektroni puudus, ja seetõttu püüab ebapiinast sideme alati elektroni, et täita seda puudust. Seega on seal elektroni jaoks tühi koht.
See tühi koht nimetatakse mõistlikult positiivseks auka. Kolmväline segunddopeeritud pooljuhendis on pidevalt murdud suur hulk kovalentsed sideme, et täita teisi ebapiinast kovalentsed sideme. Kui üks sideme murdub, tekib selles üks auk. Kui üks sideme täidetakse, katoob selles auk. Nii, kui üks auk ilmub, katoob teine naaber auk. Seega aukade suhteline liikumine pooljuhendkristallis. Seetõttu võidakse öelda, et aukad võivad liikuda vabadest elektronidest pooljuhendkristallis. Kuna iga auk võib aktsepteerida elektroni, on kolmvälined segundid teada vastuvõtjadopingtanina ja pooljuhendid, mis on dopeditud vastuvõtjadopingtaniga, on teada p-tüübi või positiivse tüübi pooljuhendina.
N-tüübilises pooljuhendis kantakse peamiselt vabade elektronidega negatiivset laet ja p-tüübilises pooljuhendis kantakse peamiselt aukade poolt positiivset laet, seega n-tüübilises pooljuhendis olevad vabad elektronid ja p-tüübilises pooljuhendis olevad vabad aukad nimetatakse vastavalt enamikul kantajateks n-tüübilises pooljuhendis ja p-tüübilises pooljuhendis.
N-tüübilise ja p-tüübilise materjali vahel on alati potentsiaalne barjäär. See potentsiaalne barjäär on vajalik fotovoltaalilise või päikeselaadi tööks. Kui n-tüübilise pooljuhend ja p-tüübilise pooljuhend kokkupuutuvad, siis vabad elektronid n-tüübilise pooljuhendi lähedal kokkupuutuvad p-tüübilise materjali lähedal olevate aukadega. Seega vabad elektronid n-tüübilises pooljuhendis lähedal kokkupuutuvad uuesti p-tüübilise materjali lähedal olevate aukadega. Mitte ainult vabad elektronid, vaid ka n-tüübilise materjali valentsed elektronid lähedal kokkupuutuvad välja kovalentsed sidemed ja uuesti p-tüübilise pooljuhendiga. Kuna kovalentsed sidemed on murdud, tekib n-tüübilises materjalis lähedal kokkupuutuvad aukad. Seega, lähedal kokkupuutuvad aukad p-tüübilises materjalis katoavad uuesti ja aukad ilmuvad n-tüübilises materjalis sama lähedal kokkupuutuvad. See on selline, nagu aukade liikumine p-tüübilisest n-tüübilisse pooljuhendisse. Nii, kui üks n-tüübiline pooljuhend ja üks p-tüübiline pooljuhend kokkupuutuvad, siis elektronid n-tüübilisest edastatakse p-tüübilisele ja aukad p-tüübilisest edastatakse n-tüübilisse. Protsess on väga kiire, kuid ei jätku igaveseks. Mõne hetke pärast on p-tüübilises pooljuhendis negatiivne laet (üleliigne elektronid) lähedal kokkupuutuvad pinnas. Samuti on n-tüübilises pooljuhendis positiivne laet (positiivsed ioonid) lähedal kokkupuutuvad pinnas. Negatiivse ja positiivse laet paksus kasvab teatud piirini, kuid seejärel enam elektronid ei liigu n-tüübilisest p-tüübilisse. See on seetõttu, et kui n-tüübilise pooljuhendi elektron püüab liikuda p-tüübilisse, siis see tabab piisavalt paksu positiivsete ioonide kihti endas, kus see kukub ilma selle ületamata. Samuti enam aukad ei liigu n-tüübilisse p-tüübilisest. Aukad, kui need püüavad ületada negatiivset kihti p-tüübilises, siis need uuesti elektronidega ja enam liikumist n-tüübilisse.
Teisisõnu, negatiivne laet p-tüübilises poolel ja positiivne laet n-tüübilises poolel moodustavad koos barjääri, mis vastupidistab laetud kantajate liikumist ühest poolest teise. Samuti hoidvad aukad p-tüübilises piirkonnas n-tüübilisse piirkonda sisse. Positiivse ja negatiivse laet tõttu on piirkonna üle elektriväli, mida nimetatakse tuhande piirkonnaks.
Nüüd pöördume silitsiumikristalli. Kui valgusekiir tabab kristalli, siis osa valgusest absorbib kristall, ja seetõttu osa valentsed elektronid on pälvitatud ja välja kovalentsed sidemed, tulemuseks vabad elektron-aurapari.
Kui valgus tabab n-tüübilist pooljuhendit, siis selliste valgusest tekkinud elektron-aurapari elektronid ei saa liikuda p-piirkonda, kuna need ei saa ületada potentsiaalset barjääri, kuna elektriväli tuhande piirkonna repelleerib. Samal ajal valgusest tekkinud aukad ületavad tuhande piirkonna elektriväli tuhande piirkonna atraktiivuse tõttu, kus need uuesti elektronidega, ja siis elektronide puudus seal kompenseeritakse p-piirkonna valentsed elektronid, ja see tekitab nii palju aukad p-piirkonnas. Seega valgusest tekkinud aukad on liigutanud p-piirkonda, kus need on trapitud, kuna kui need tulevad p-piirkonda, ei saa need enam tagasi n-tüübilisse piirkonda potentsiaalne barjääri repelleerib.
Kuna negatiivne laet (valgusest tekkinud elektronid) on trapitud ühes ja positiivne laet (valgusest tekkinud aukad) on trapitud vastupidises poolel, siis on potentsiaalse erinevus nende kahe poole vahel. See potentsiaalse erinevus on tavaliselt 0.5 V. Nii toodetakse fotovoltaalsed lahingud või päikeselaadid potentsiaalse erinevuse.
Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.
