اصول کار سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک

تبدیل انرژی نور به الکتریسیته بر اساس پدیده‌ای به نام اثر فتوولتائیک است. هنگامی که مواد نیمه‌رسانا به نور مواجه می‌شوند، برخی از فوتون‌های نور توسط بلور نیمه‌رسانا جذب می‌شوند که باعث ایجاد تعداد قابل توجهی الکترون آزاد در بلور می‌شود. این دلیل اصلی تولید برق از طریق اثر فتوولتائیک است. سلول فتوولتائیک واحد اساسی سیستمی است که در آن از اثر فتوولتائیک برای تولید برق از انرژی نوری استفاده می‌شود. سیلیکون معمولاً پرکاربردترین ماده نیمه‌رسانا برای ساخت سلول فتوولتائیک است. اتم سیلیکون چهار الکترون ظرفیتی دارد. در یک بلور جامد، هر اتم سیلیکون هر یک از چهار الکترون ظرفیتی خود را با اتم سیلیکون دیگر نزدیک به خود به اشتراک می‌گذارد و بنابراین پیوندهای کووالانسی بین آنها ایجاد می‌شود. به این ترتیب، بلور سیلیکون یک ساختار شبکه‌ای تتراهدرال می‌گیرد. هنگامی که نور بر روی موادی می‌تابد، بخشی از نور منعکس می‌شود، بخشی از آن از طریق مواد عبور می‌کند و بقیه توسط مواد جذب می‌شود.

همین اتفاق زمانی می‌افتد که نور بر روی بلور سیلیکون می‌تابد. اگر شدت نور ورودی کافی باشد، تعداد کافی از فوتون‌ها توسط بلور جذب می‌شوند و این فوتون‌ها به نوبه خود برخی از الکترون‌های پیوند کووالانسی را هیجان‌زده می‌کنند. این الکترون‌های هیجان‌زده سپس انرژی کافی برای مهاجرت از نوار ظرفیتی به نوار رسانایی می‌گیرند. با توجه به سطح انرژی این الکترون‌ها در نوار رسانایی، آنها از پیوند کووالانسی جدا می‌شوند و یک حفره در پیوند پشت هر الکترون جدا شده باقی می‌گذارند. این الکترون‌های آزاد به طور تصادفی در ساختار بلوری سیلیکون حرکت می‌کنند. این الکترون‌ها و حفره‌های آزاد نقش مهمی در ایجاد برق در سلول فتوولتائیک دارند. این الکترون‌ها و حفره‌ها به ترتیب الکترون‌ها و حفره‌های تولید شده توسط نور نامیده می‌شوند. این الکترون‌ها و حفره‌های تولید شده توسط نور نمی‌توانند تنها در بلور سیلیکون برق تولید کنند. باید مکانیزمی اضافی برای انجام این کار وجود داشته باشد.

وقتی یک آلودگی پنتاوالنت مانند فسفر به سیلیکون افزوده می‌شود، چهار الکترون ظرفیتی هر اتم فسفر پنتاوالنت از طریق پیوند کووالانسی با چهار اتم سیلیکون همسایه به اشتراک گذاشته می‌شود و پنجمین الکترون ظرفیتی هیچ فرصتی برای ایجاد یک پیوند کووالانسی ندارد.

این پنجمین الکترون سپس به طور نسبتاً آزاد با اتم پدر خود پیوند دارد. حتی در دمای اتاق، انرژی گرمایی موجود در بلور کافی است تا این الکترون‌های نسبتاً آزاد را از اتم فسفر پدر جدا کند. هنگامی که این پنجمین الکترون نسبتاً آزاد از اتم فسفر پدر جدا می‌شود، اتم فسفر یون‌های مثبت ثابت می‌شود. الکترون جدا شده آزاد می‌شود اما هیچ پیوند کووالانسی ناقص یا حفره‌ای در بلور برای بازپیوندی ندارد. این الکترون‌های آزاد از آلودگی پنتاوالنت همیشه آماده رساندن جریان در نیمه‌رسانا هستند. اگرچه تعداد زیادی از الکترون‌های آزاد وجود دارد، اما ماده به طور الکتریکی خنثی است زیرا تعداد یون‌های مثبت فسفر قفل شده در ساختار بلور دقیقاً با تعداد الکترون‌های آزاد که از آنها خارج شده‌اند برابر است. فرآیند افزودن آلودگی به نیمه‌رسانا به عنوان دوپینگ شناخته می‌شود و آلودگی‌های اضافه شده به عنوان دوپانت‌ها شناخته می‌شوند. دوپانت‌های پنتاوالنت که پنجمین الکترون آزاد خود را به بلور نیمه‌رسانا اهدا می‌کنند به عنوان اهداءکنندگان شناخته می‌شوند. نیمه‌رساناهایی که با آلودگی اهداءکننده دوپ شده‌اند به عنوان نیمه‌رسانای نوع n یا نوع منفی شناخته می‌شوند زیرا تعداد زیادی از الکترون‌های آزاد که به طور ذاتی منفی هستند وجود دارد.

وقتی به جای اتم‌های فسفر پنتاوالنت، اتم‌های آلودگی تریوالنت مانند بور به بلور نیمه‌رسانا اضافه می‌شوند، نوع مخالف نیمه‌رسانا ایجاد می‌شود. در این صورت، برخی از اتم‌های سیلیکون در شبکه بلوری با اتم‌های بور جایگزین می‌شوند، به عبارت دیگر، اتم‌های بور موقعیت اتم‌های سیلیکون جایگزین شده در ساختار شبکه را اشغال می‌کنند. سه الکترون ظرفیتی اتم بور با الکترون ظرفیتی سه اتم سیلیکون همسایه برای ایجاد سه پیوند کووالانسی کامل جفت می‌شوند. برای این ساختار، برای هر اتم بور، یک اتم سیلیکون وجود دارد که چهارمین الکترون ظرفیتی آن هیچ الکترون ظرفیتی همسایه‌ای برای کامل کردن چهارمین پیوند کووالانسی خود پیدا نمی‌کند. بنابراین چهارمین الکترون ظرفیتی این اتم‌های سیلیکون بدون جفت می‌ماند و به عنوان یک پیوند ناقص رفتار می‌کند. بنابراین یک کمبود الکترون در پیوند ناقص وجود دارد و بنابراین یک پیوند ناقص همیشه الکترون را جذب می‌کند تا این کمبود را پر کند. به این ترتیب، محلی برای نشستن الکترون وجود دارد.

این محل به طور مفهومی حفره مثبت نامیده می‌شود. در یک نیمه‌رسانا دوپ شده با آلودگی تریوالنت، تعداد قابل توجهی از پیوندهای کووالانسی به طور مداوم برای کامل کردن پیوندهای کووالانسی ناقص دیگر شکسته می‌شوند. وقتی یک پیوند شکسته می‌شود، یک حفره در آن ایجاد می‌شود. وقتی یک پیوند کامل می‌شود، حفره در آن ناپدید می‌شود. به این ترتیب، یک حفره به نظر می‌رسد که در یک حفره همسایه دیگر ناپدید می‌شود. به این ترتیب، حفره‌ها حرکت نسبی در داخل بلور نیمه‌رسانا دارند. از این رو می‌توان گفت که حفره‌ها نیز می‌توانند به طور آزاد مانند الکترون‌های آزاد در داخل بلور نیمه‌رسانا حرکت کنند. چون هر یک از حفره‌ها می‌توانند یک الکترون را قبول کنند، آلودگی‌های تریوالنت به عنوان دوپانت‌های قبول‌کننده شناخته می‌شوند و نیمه‌رساناهایی که با دوپانت‌های قبول‌کننده دوپ شده‌اند به عنوان نیمه‌رسانای نوع p یا نوع مثبت شناخته می‌شوند.

در نیمه‌رسانای نوع n اصلی الکترون‌های آزاد بار منفی را منتقل می‌کنند و در نیمه‌رسانای نوع p اصلی حفره‌ها بار مثبت را منتقل می‌کنند، بنابراین الکترون‌های آزاد در نیمه‌رسانای نوع n و حفره‌های آزاد در نیمه‌رسانای نوع p به ترتیب به عنوان حامل‌های اکثریت در نیمه‌رسانای نوع n و نوع p شناخته می‌شوند.

همیشه یک مانع پتانسیلی بین مواد نوع n و نوع p وجود دارد. این مانع پتانسیلی برای عملکرد یک سلول فتوولتائیک یا سلول خورشیدی ضروری است. هنگامی که نیمه‌رسانای نوع n و نوع p با یکدیگر تماس می‌گیرند، الکترون‌های آزاد نزدیک به سطح تماس نیمه‌رسانای نوع n تعداد زیادی از حفره‌های نزدیک نوع p را می‌یابند. بنابراین الکترون‌های آزاد در نیمه‌رسانای نوع n نزدیک به سطح تماس خود به حفره‌های نزدیک نوع p می‌پردند تا بازپیوندی کنند. نه تنها الکترون‌های آزاد، بلکه الکترون‌های ظرفیتی نیمه‌رسانای نوع n نزدیک به سطح تماس نیز از پیوند کووالانسی خارج می‌شوند و با حفره‌های نزدیک‌تر در نیمه‌رسانای نوع p بازپیوندی می‌کنند. با توجه به شکست پیوندهای کووالانسی، تعدادی از حفره‌ها در نیمه‌رسانای نوع n نزدیک به سطح تماس ایجاد می‌شود. بنابراین، در ناحیه تماس، حفره‌ها در مواد نوع p به دلیل بازپیوندی ناپدید می‌شوند و در مقابل حفره‌ها در نیمه‌رسانای نوع n نزدیک به همان ناحیه تماس ظاهر می‌شوند. این به نوعی معادل مهاجرت حفره‌ها از نوع p به نوع n است. بنابراین همانطور که یک نیمه‌رسانای نوع n و یک نیمه‌رسانای نوع p با یکدیگر تماس می‌گیرند، الکترون‌ها از نوع n به نوع p منتقل می‌شوند و حفره‌ها از نوع p به نوع n منتقل می‌شوند. این فرآیند بسیار سریع است اما به طول می‌انجامد. پس از لحظاتی، یک لایه بار منفی (الکترون‌های اضافی) در نیمه‌رسانای نوع p مجاور به سطح تماس در طول سطح تماس ایجاد می‌شود. به طور مشابه، یک لایه بار مثبت (یون‌های مثبت) در نیمه‌رسانای نوع n مجاور به سطح تماس در طول سطح تماس ایجاد می‌شود. ضخامت این لایه‌های بار منفی و مثبت تا حدی افزایش می‌یابد، اما بعد از آن، دیگر هیچ الکترونی از نیمه‌رسانای نوع n به نیمه‌رسانای نوع p مهاجرت نمی‌کند. این به این دلیل است که هر زمان که هر الکترونی از نیمه‌رسانای نوع n تلاش می‌کند تا به نیمه‌رسانای نوع p مهاجرت کند، با یک لایه کافی از یون‌های مثبت در خود نیمه‌رسانای نوع n مواجه می‌شود که در آن بدون عبور از آن سقوط می‌کند. به طور مشابه، حفره‌ها دیگر به نیمه‌رسانای نوع n از نوع p مهاجرت نمی‌کنند. حفره‌ها هنگام تلاش برای عبور از لایه منفی در نیمه‌رسانای نوع p با الکترون‌ها بازپیوندی می‌کنند و دیگر حرکت به سمت ناحیه نوع n نمی‌کنند.

به عبارت دیگر، لایه بار منفی در سمت نوع p و لایه بار مثبت در سمت نوع n با هم یک مانع ایجاد می‌کنند که مهاجرت حامل‌های بار از یک سمت به سمت دیگر را مسدود می‌کند. به طور مشابه، حفره‌ها در ناحیه نوع p از ورود به ناحیه نوع n بازداری می‌شوند. به دلیل لایه‌های بار مثبت و منفی، یک میدان الکتریکی در طول این ناحیه ایجاد می‌شود و این ناحیه به عنوان لایه فرسوده شناخته می‌شود.

حال بیایید به بلور سیلیکون بپردازیم. هنگامی که نور بر روی بلور می‌تابد، بخشی از نور توسط بلور جذب می‌شود و در نتیجه برخی از الکترون‌های ظرفیتی هیجان‌زده می‌شوند و از پیوند کووالانسی خارج می‌شوند و جفت‌های الکترون-حفره آزاد ایجاد می‌کنند.

اگر نور بر روی نیمه‌رسانای نوع n بتابد، الکترون‌های تولید شده توسط نور نمی‌توانند به ناحیه نوع p مهاجرت کنند زیرا قادر به عبور از مانع پتانسیلی به دلیل دفع میدان الکتریکی در لایه فرسوده نیستند. در همان زمان، حفره‌های تولید شده توسط نور به دلیل جذب میدان الکتریکی لایه فرسوده از لایه فرسوده عبور می‌کنند و با الکترون‌ها بازپیوندی می‌کنند و سپس کمبود الکترون‌ها در اینجا توسط الکترون‌های ظرفیتی ناحیه نوع p جبران می‌شود و این تعداد زیادی از حفره‌ها را در ناحیه نوع p ایجاد می‌کند. به این ترتیب حفره‌های تولید شده توسط نور به ناحیه نوع p منتقل می‌شوند که در آنجا محبوس می‌شوند زیرا هنگامی که به ناحیه نوع p می‌آیند نمی‌توانند به ناحیه نوع n برگردند به دلیل دفع مانع پتانسیلی.

با توجه به اینکه بار منفی (الکترون‌های تولید شده توسط نور) در یک سمت و بار مثبت (حفره‌های تولید شده توسط نور) در سمت مقابل سلول محبوس می‌شوند، یک اختلاف پتانسیل بین این دو سمت سلول ایجاد می‌شود. این اختلاف پتانسیل معمولاً ۰.۵ ولت است. به این ترتیب یک سلول فتوولتائیک یا سلول خورشیدی اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کند.

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.