Auringonkyttäjän tai fotovoltaattisen solun toimintaperiaate
Valon energian muuntaminen sähköenergiaksi perustuu ilmiöön, jota kutsutaan valofotovoltaiseksi vaikutukseksi. Kun puolijohtomateriaaleja altistetaan valolle, osa valosäteen foteille absorboituu puolijohtokrystalliin, mikä aiheuttaa huomattavan määrän vapaita elektroneja krystalissa. Tämä on perusperuste sähköenergian tuotannolle fotovoltaisen vaikutuksen avulla. Fotovoltaissyli on järjestelmän perusyksikkö, jossa fotovoltaista vaikutusta käytetään sähköenergian tuotantoon valoenergiasta. Siili on yleisin käytetty puolijohtomateriaali fotovoltaissylien rakentamiseen. Siiliatomiilla on neljä vahva-energiayhteys-elektronia. Kiinteässä kristallissa jokainen siiliatomi jakaa jokaisen neljästä vahva-energiayhteys-elektronistaan lähimmän siiliatomin kanssa luoden niiden välille kovalenttisia siteitä. Näin siilikrystalli saa tetraedrisen hilastruktuurin. Kun valosäde osuu materiaaleihin, osa valosta heijastuu, osa läpäisee materiaalin ja loput absorboituu materiaaleihin.
Sama asia tapahtuu, kun valo osuu siilikrystalille. Jos osuvalon intensiteetti on riittävän suuri, riittävä määrä foteille absorboituu kristallissa, ja nämä foteille, vuorostaan, herättävät joitakin kovalenttisten siteiden elektroneja. Nämä herätetyt elektronit saavat sitten riittävästi energiaa siirtymään vahva-energiayhteys-pisteestä johtavaan pisteeseen. Koska näiden elektronien energia on johtavassa pisteessä, ne eroottuvat kovalenttisista siteistä jättäen aukkoja siteissä poistuneiden elektronien takana. Nämä ovat nimeltään vapaita elektroneja, jotka liikkuvat satunnaisesti siilikrystalin rakenneessa. Nämä vapaiden elektronien ja aukkoiden on tärkeä rooli sähköenergian tuotannossa fotovoltaissyliin. Nämä elektronit ja aukot kutsutaan siksi valolla luoduiksi elektroniksi ja aukkoiksi. Valolla luodut elektronit ja aukot eivät voisi tuottaa sähköenergiaa siilikrystalissa yksin. Pitää olla jonkinlainen lisämekanismi tehdäkseen sen.
Kun viisivalenteen epäpuhtauden, kuten fosforin, lisätään siiliin, jokaisen viisivalenteen fosforiatomin neljä vahva-energiayhteys-elektronia jaetaan kovalenttisilla siteillä neljälle naapurisiiliatomille, mutta viides vahva-energiayhteys-elektroni ei ole mahdollisuudessa luoda kovalenttista sitettä.
Tämä viides elektroni on sitten suhteellisen vapaasti sidoksissa vanhemman atominsa kanssa. Jopa huoneenlämpötilassa kristallissa saatavilla oleva lämpöenergia on riittävän suuri erottamaan nämä suhteellisen vapaat viidennet elektronit vanhemmasta fosforiatomista. Kun tämä viides suhteellisen vapaasti sidoksissa oleva elektroni erottuu vanhemmasta fosforiatomista, fosforiatomi muuttuu paikan päällä olevaksi positiiviseksi ioniksi. Mainittu erottunut elektroni muuttuu vapaaksi, mutta sillä ei ole mitään epätäydellistä kovalenttista sitettä tai aukkoa kristallessa, johon se voisi uudelleensidota. Nämä vapaat elektronit, jotka tulevat viisivalenteista epäpuhtaudesta, ovat aina valmiita johtamaan virtaa puolijohtimessa. Vaikka onkin useita vapaita elektroneja, aine on silti sähköisesti neutraali, koska positiivisten fosforionien lukumäärä, jotka on lukittu kristallirakenteeseen, on tarkalleen sama kuin vapaana niistä tulevien elektronien lukumäärä. Prosessia, jossa epäpuhtauksia lisätään puolijohtimeen, kutsutaan doppausksi, ja lisättäviä epäpuhtauksia kutsutaan dopanttiksi. Viisivalenteet dopanttien, jotka antavat viidennen vapaan elektronin puolijohtokrystalille, kutsutaan antajiksi. Dopanttien avulla doppatuille puolijohtimille, jotka ovat antajia, annetaan nimi n-tyyppinen tai negatiivinen tyypin puolijohtin, koska niissä on paljon vapaita elektroneja, jotka ovat luonteeltaan negatiivisesti varautuneita.
Kun sijaan viisivalenteille fosforiatomeille lisätään kolmivalenteita epäpuhtauksia, kuten borua, puolijohtokrystalin vastakkainen tyyppi luodaan. Tässä tapauksessa joitakin siiliatomeja korvataan boruatomeilla kristalliristikossa, toisin sanoen boruatomet pitävät paikkaansa korvattujen siiliatomien paikoissa ristikossa. Boruatomin kolme vahva-energiayhteys-elektronia parittelee kolmen naapuri-siiliatomin vahva-energiayhteys-elektronin kanssa luoden kolme täydellistä kovalenttista sitettä. Tässä konfiguraatiossa jokaisella boruatomilla on siiliatomi, jonka neljäs vahva-energiayhteys-elektroni ei löydä naapuri-vahva-energiayhteys-elektronia täyttääkseen sen neljännen kovalenttisen sitteen. Siksi tämä neljäs vahva-energiayhteys-elektroni näissä siiliatomeissa pysyy epäparitettuna ja käyttäytyy epätäydellisenä siteenä. Niinpä tässä epätäydellisessä siteessä puuttuu yksi elektroni, ja siksi epätäydellinen siteesi aina vetää elektronia täyttääkseen tämän puutteen. Näin ollen on elektronille paikka istua.
Tätä tyhjiötä kutsutaan käsitteellisesti positiiviseksi aukkona. Kolmivalenteen epäpuhtauden doppatussa puolijohtimessa merkittävä määrä kovalenttisia siteitä katkeaa jatkuvasti täydentääkseen muita epätäydellisiä kovalenttisia siteitä. Kun yksi site katkeaa, yksi aukko syntyy siinä. Kun yksi site täydentyy, aukko siinä katoaa. Täten yksi aukko näyttää katoavan toisen naapuriaukon paikalle. Näin ollen aukot liikkuvat suhteellisesti puolijohtokrystalin sisällä. Näiden perusteella voidaan sanoa, että aukot voivat myös liikkua vapaasti vapaana elektronina puolijohtokrystalin sisällä. Koska jokainen aukko voi hyväksyä elektronin, kolmivalenteja epäpuhtauksia kutsutaan hyväksyjä-dopanteiksi, ja hyväksyjä-dopanteilla doppatuille puolijohtimille annetaan nimi p-tyyppinen tai positiivinen tyypin puolijohtin.
N-tyyppisessä puolijohtimessa pääasiassa vapaiden elektronien kuljetetaan negatiivista virtaa, ja p-tyyppisessä puolijohtimessa pääasiassa aukot kuljetetaan positiivista virtaa, joten vapaiden elektronien n-tyyppisessä puolijohtimessa ja vapaiden aukkojen p-tyyppisessä puolijohtimessa kutsutaan enemmistövirtasuureiksi n-tyyppisessä ja p-tyyppisessä puolijohtimessa vastaavasti.
N-tyypin ja p-tyypin materiaalien välissä on aina potentiaalierä. Tämä potentiaalierä on olennainen osa fotovoltaisen tai aurinkosylien toimintaa. Kun n-tyypin puolijohtin ja p-tyypin puolijohtin tulevat yhteyteen, vapaita elektroneja n-tyypin puolijohtimessa lähellä yhteydenpintaa löytyy paljon lähellä olevia aukkoja p-tyypin materiaalissa. Siksi vapaita elektroneja n-tyypin puolijohtimessa lähellä yhteydenpintaa hyppelehtii lähellä oleviin aukkoihin p-tyypin materiaalissa yhdistääkseen ne. Ei ainoastaan vapaita elektroneja, vaan myös n-tyypin materiaalin vahva-energiayhteys-elektronit lähellä yhteydenpintaa irtoavat kovalenttisista siteistä ja yhdistävät lähempänä olevat aukot p-tyypin puolijohtimessa. Koska kovalenttiset siteet katkeavat, syntyvät monia aukkoja n-tyypin materiaalissa lähellä yhteydenpintaa. Siksi lähellä yhteydenpintaa p-tyypin materiaalissa olevat aukot katoavat yhdistymisen seurauksena, kun taas aukot ilmenevät n-tyypin materiaalissa samalla alueella. Tämä on sellaisenaan yhtäpitävää aukkojen siirtymisen p-tyypistä n-tyypin puolijohtimeen. Niinpä heti, kun yksi n-tyypin puolijohtin ja yksi p-tyypin puolijohtin tulevat yhteyteen, elektronit n-tyypistä siirtyvät p-tyypin puolelle ja aukot p-tyypistä siirtyvät n-tyypin puolelle. Prosessi on hyvin nopea, mutta se ei jatku ikuisesti. Hetken kuluttua syntyy kerros negatiivista sähkövarauksia (ylipitoisia elektroneja) p-tyypin puolijohtimessa yhteydenpinnan vieressä. Samalla tavoin syntyy kerros positiivista sähkövarauksia (positiivisia ioonneja) n-tyypin puolijohtimessa yhteydenpinnan vieressä. Negatiivisen ja positiivisen sähkövarauksen kerrosten paksuus kasvaa tietylle tasolle, mutta sen jälkeen ei enää elektroneja siirry n-tyypistä p-tyypin puolijohtimeen. Tämä johtuu siitä, että kun mikä tahansa n-tyypin puolijohtimen elektroni yrittää siirtyä p-tyypin puolijohtimeen, se kohtaa riittävän paksun positiivisten ionien kerroksen n-tyypin puolijohtimessa itse, jossa se pudottuu ilman rajojen ylittämistä. Samalla tavoin aukot eivät enää siirry n-tyypin puolijohtimeen p-tyypistä. Aukot, jotka yrittävät ylittää negatiivisen kerroksen p-tyypin puolijohtimessa, yhdistävät elektronit eivätkä enää liiku n-tyypin alueelle.
Toisin sanoen, negatiivisen sähkövarauksen kerros p-tyypin puolella ja positiivisen sähkövarauksen kerros n-tyypin puolella yhdessä muodostavat esteen, joka vastustaa varauksien siirtymistä toiselta puolelta toiselle. Samalla tavoin aukot p-tyypin alueella pidetään pois n-tyypin alueelta. Positiivisen ja negatiivisen sähkövarauksen kerrosten vuoksi alueen yli on sähkökenttä, ja tätä aluetta kutsutaan tyhjennyseräksi.
Siirrytään nyt siilikrystalin käsittelyyn. Kun valosäde osuu kristalliin, osa valosta absorboituu kristallissa, ja seurauksena osa vahva-energiayhteys-elektroneja herätetään ja eroottuvat kovalenttisista siteistä, mikä johtaa vapaiden elektroni-aukkojen pariin.
Jos valo osuu n-tyypin puolijohtimeen, tällaisista valolla luoduista elektroni-aukkojen pareista elektronit eivät pysty siirtymään p-alueelle, koska ne eivät pysty ylittämään potentiaalierää tyhjennyserän sähkökentän repulson vuoksi. Samalla valolla luodut aukot ylittävät tyhjennyserän tyhjennyserän sähkökentän vetovoiman ansiosta, jossa ne yhdistyvät elektroneihin, ja sitten täällä oleva elektronien puute kompensoituu p-alueen vahva-energiayhteys-elektronilla, mikä luo yhtä monta aukkoa p-alueelle. Näin ollen valolla luodut aukot siirtyvät p-alueelle, jossa ne jäävät kiinni, koska kun ne tulevat p-alueelle, ne eivät pysty enää palaamaan n-tyypin alueelle potentiaalierän repulson vuoksi.
Koska negatiivinen sähkövaraus (valolla luodut elektronit) on kiinnitetty yhteen puolelle ja positiivinen sähkövaraus (valolla luodut aukot) on kiinnitetty vastakkaiseen puolelle solulle, on olemassa potentiaaliero näiden kahden solun puolen välillä. Tämä potentiaaliero on tyypillisesti 0,5 V. Näin fotovoltaissyli tai aurinkosyli tuottaa potentiaalierän.
Lause: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita on jakamisen arvoa, jos on rikkominen tekijänoikeuksia, ota yhteyttä poistamiseen.
