Prinsip Kerja Sel Surya atau Sel Fotovoltaik

Ang pagkakapalit ng enerhiya ng liwanag sa elektrikal na enerhiya ay batay sa isang fenomeno na tinatawag na photovoltaic effect. Kapag ang mga materyales ng semiconductor ay nakapaglabas ng liwanag, ang ilang bahagi ng mga photon ng sining ay inaabsorb ng kristal ng semiconductor na nagdudulot ng malaking bilang ng malayang elektron sa kristal. Ito ang pangunahing dahilan para makapagtala ng kuryente dahil sa photovoltaic effect. Ang photovoltaic cell ay ang pangunahing yunit ng sistema kung saan ginagamit ang photovoltaic effect upang makapagtala ng kuryente mula sa enerhiya ng liwanag. Ang silicon ang pinaka-karaniwang ginagamit na materyales ng semiconductor para sa paggawa ng photovoltaic cell. Ang atomo ng silicon ay may apat na valence electrons. Sa isang solido na kristal, bawat atomo ng silicon ay nagsasalo ng apat na valence electrons nito sa isa pang silangan na atomo ng silicon na nagreresulta sa covalent bonds sa pagitan nila. Sa pamamaraang ito, ang kristal ng silicon ay nakukuha ng tetrahedral lattice structure. Kapag ang sining ay tumama sa anumang materyales, ang ilang bahagi ng sining ay inirereplekta, ang iba pa ay lumilipad sa pamamagitan ng materyales at ang natitirang bahagi ay inaabsorb ng materyales.

Ang parehong bagay na ito ay nangyayari kapag ang liwanag ay tumama sa kristal ng silicon. Kung ang lakas ng insidente na liwanag ay sapat, sapat na bilang ng mga photon ay inaabsorb ng kristal at ang mga photon, sa kanyang pagkakataon, nagpapaexcite ng ilang elektron ng covalent bonds. Ang mga excited na elektron na ito ay pagkatapos ay nakakakuha ng sapat na enerhiya upang lumipat mula sa valence band patungong conduction band. Dahil ang antas ng enerhiya ng mga elektron ay nasa conduction band, sila ay umalis mula sa covalent bond na nagiiwan ng isang butas sa bond bawat alisin na elektron. Ang mga ito ay tinatawag na malayang elektron na random na naglalakad sa loob ng istruktura ng kristal ng silicon. Ang mga malayang elektron at butas ay may mahalagang papel sa paglikha ng kuryente sa photovoltaic cell. Ang mga elektron at butas na ito ay kaya't tinatawag na light-generated electrons and holes na pareho. Ang mga light generated electrons at butas na ito ay hindi maaaring maglikha ng kuryente sa kristal ng silicon lamang. Dapat mayroong ilang karagdagang mekanismo upang gawin ito.

Kapag ang pentavalent impurity tulad ng phosphorus ay idinagdag sa silicon, ang apat na valence electrons ng bawat pentavalent phosphorous atom ay nagsasalo ng covalent bonds kasama ang apat na kalapit na silicon atoms, at ang ikalimang valence electron ay hindi nakakakuha ng anumang pagkakataon upang gumawa ng covalent bond.

Ang ikalimang elektron na ito ay pagkatapos ay relatibong loosely bounded sa kanyang parent atom. Kahit sa temperatura ng silid, ang thermal energy na available sa kristal ay sapat upang disassociate ang mga relatibong loose fifth electrons mula sa kanilang parent phosphorus atom. Habang ang ikalimang relatively loose electron ay disassociated mula sa parent phosphorus atom, ang phosphorous atom ay immobile positive ions. Ang sinabi na disassociated electron ay naging libre ngunit walang incomplete covalent bond o butas sa kristal upang maging re-associated. Ang mga libreng elektron na galing sa pentavalent impurity ay laging handa upang magconduct ng current sa semiconductor. Bagaman mayroong bilang ng libreng elektron, pa rin ang substansiya ay electrically neutral dahil ang bilang ng positive phosphorous ions na nakakulong sa loob ng istrakturang kristal ay eksaktong katumbas ng bilang ng libreng elektron na lumabas mula sa kanila. Ang proseso ng pagdaragdag ng impurities sa semiconductor ay kilala bilang doping, at ang mga impurities na doped ay kilala bilang dopants. Ang pentavalent dopants na nagbibigay ng kanilang ikalimang free electron sa semiconductor crystal ay tinatawag na donors. Ang semiconductors na doped ng donor impurities ay tinatawag na n-type o negative type semiconductor dahil maraming libreng elektron na negatibong charge sa natura.

Kapag sa halip na pentavalent phosphorous atoms, trivalent impurity atoms tulad ng boron ay idinagdag sa isang semiconductor crystal, ang kabaligtaran na uri ng semiconductor ay malilikha. Sa kaso na ito, ang ilang silicon atoms sa crystal lattice ay papalitan ng boron atoms, sa ibang salita, ang mga boron atoms ay okupado ang posisyon ng palitan na silicon atoms sa lattice structure. Tatlong valance electrons ng boron atom ay pair up sa valance electron ng tatlong kalapit na silicon atoms upang lumikha ng tatlong complete covalent bonds. Para sa configuration na ito, mayroong isang silicon atom para sa bawat boron atom, ang ika-apat na valence electron ng kung saan ay hindi makakahanap ng kalapit na valance electrons upang kumpleto ang ika-apat na covalent bond. Kaya ang ika-apat na valence electron ng mga silicon atoms na ito ay nananatiling unpaired at kumportable bilang incomplete bond. Kaya may kakulangan ng isang electron sa incomplete bond, at kaya ang incomplete bond ay laging nakikipagtagpo ng electron upang mapunan ang kakulangan na ito. Bilang resulta, mayroong bakante para sa electron na upuan.

Ang bakante na ito ay konseptwal na tinatawag na positive hole. Sa isang trivalent impurity doped semiconductor, isang malaking bilang ng covalent bonds ay patuloy na nabubuo upang kumpleto ang iba pang incomplete covalent bonds. Kapag isang bond ay nabubuo, isang butas ay nalilikha sa ito. Kapag isang bond ay kumpleto, ang butas sa ito ay nawawala. Sa ganitong paraan, isang butas ay tila nawawala ang isa pang kalapit na butas. Bilang resulta, ang mga butas ay may relasyon na paggalaw sa loob ng semiconductor crystal. Sa pananaw na iyon, maaari itong sabihin na ang mga butas din ay maaaring malayang galawin tulad ng malayang elektron sa loob ng semiconductor crystal. Dahil bawat butas ay maaaring tanggapin ng isang electron, ang trivalent impurities ay kilala bilang acceptor dopants at ang semiconductors na doped ng acceptor dopants ay kilala bilang p-type o positive type semiconductor.

Sa n-type semiconductor pangunahing ang mga malayang elektron ay nagdadala ng negatibong charge at sa p-type semiconductor pangunahing ang mga butas ay nagdadala ng positibong charge kaya ang mga malayang elektron sa n-type semiconductor at malayang butas sa p-type semiconductor ay tinatawag na majority carrier sa n-type semiconductor at p-type semiconductor, respectively.

Mayroon palaging potential barrier sa pagitan ng n-type at p-type material. Mahalaga ang potential barrier na ito para sa pagtatrabaho ng isang photovoltaic o solar cell. Habang ang n-type semiconductor at p-type semiconductor ay makikipagkontak, ang mga malayang elektron malapit sa contact surface ng n-type semiconductor ay makakakuha ng maraming kalapit na butas ng p-type material. Kaya ang mga malayang elektron sa n-type semiconductor malapit sa kanyang contact surface ay lumilipad sa kalapit na butas ng p-type material upang recombine. Hindi lang ang malayang elektron, kundi ang valence electrons ng n-type material malapit sa contact surface din ay lumalabas mula sa covalent bond at recombine sa mas malapit na butas sa p-type semiconductor. Dahil ang covalent bonds ay nabubuwag, mayroong bilang ng butas na nililikha sa n-type material malapit sa contact surface. Kaya, malapit sa contact zone, ang mga butas sa p-type materials ay nawawala dahil sa recombination sa kabilang banda, ang mga butas ay lumilitaw sa n-type material malapit sa parehong contact zone. Ito ay katumbas ng migration ng butas mula sa p-type patungong n-type semiconductor. Kaya agad na kapag ang isang n-type semiconductor at isang p-type semiconductor ay makikipagkontak, ang mga elektron mula sa n-type ay lilipat sa p-type at ang mga butas mula sa p-type ay lilipat sa n-type. Ang proseso ay napakabilis ngunit hindi patuloy. Pagkatapos ng ilang sandali, mayroong isang layer ng negatibong charge (excess electrons) sa p-type semiconductor malapit sa contact along the contact surface. Parehong, mayroong isang layer ng positibong charge (positive ions) sa n-type semiconductor malapit sa contact along the contact surface. Ang thickness ng mga layer ng negatibong at positibong charge ay lumalaki hanggang sa tiyak na limit, ngunit pagkatapos noon, wala nang hihigit na elektron na lilipat mula sa n-type semiconductor patungong p-type semiconductor. Ito ay dahil, habang anumang elektron ng n-type semiconductor ay subukan na lumipat sa p-type semiconductor ito ay harapin ang sapat na thick layer ng positibong ions sa n-type semiconductor mismo kung saan ito ay bababa nang hindi lumampas dito. Parehong, ang mga butas ay wala nang hihigit na lilipat sa n-type semiconductor mula sa p-type. Ang mga butas kapag subukan na lumampas sa negatibong layer sa p-type semiconductor ito ay recombine sa mga elektron at wala nang hihigit na movement patungong n-type region.

Sa ibang salita, ang negatibong charge layer sa p-type side at positibong charge layer sa n-type side magkasama ay bumubuo ng isang barrier na laban sa migration ng charge carriers mula sa isang bahagi patungong iba. Parehong, ang mga butas sa p-type region ay pinigilan mula sa pagpasok sa n-type region. Dahil sa positibong at negatibong charged layer, mayroong electric field sa across the region at ang rehiyon na ito ay tinatawag na depletion layer.

Ngayon, hayaan nating bumalik sa kristal ng silicon. Kapag ang sining ay tumama sa kristal, ang ilang bahagi ng sining ay inaabsorb ng kristal, at bilang resulta, ang ilang bahagi ng mga valence electrons ay naiexcite at lumalabas mula sa covalent bond na nagreresulta sa malayang electron-hole pairs.

Kapag ang sining ay tumama sa n-type semiconductor, ang mga elektron mula sa light-generated electron-hole pairs ay hindi maaaring lumipat sa p-region dahil hindi sila maaaring lumampas sa potential barrier dahil sa repulsion ng electric field sa depletion layer. Sa parehong oras, ang mga light-generated holes ay lumilipad sa depletion region dahil sa attraction ng electric field ng depletion layer kung saan sila ay recombine sa mga elektron, at pagkatapos ang kakulangan ng mga elektron dito ay kinompensate ng valence electrons ng p-region, at ito ay nagbibigay ng maraming bilang ng butas sa p-region. Bilang resulta, ang mga light generated holes ay inilipat sa p-region kung saan sila ay trapped dahil kapag sila ay dumating sa p-region hindi sila maaaring bumalik sa n-type region dahil sa repulsion ng potential barrier.

Dahil ang negatibong charge (light generated electrons) ay trapped sa isang bahagi at positibong charge (light generated holes) ay trapped sa kabaligtarang bahagi ng isang cell, mayroong potential difference sa pagitan ng dalawang bahagi ng cell. Ang potential difference na ito ay tipikal na 0.5 V. Ito ang paraan kung paano ang photovoltaic cells o solar cells ay naglilikha ng potential difference.

Pahayag: Igalang ang original, mahusay na mga artikulo na karapat-dapat na ibahagi, kung may infringement mangyaring kontakin upang tanggalin.