Radni princip sunčeve ili fotovoltaične celije

Pretvorba svjetlosne energije u električnu temelji se na fenomenu zvanom fotovoltačni efekt. Kada poluprovodne materijale izložimo svjetlosti, neki fotoni svjetlosti apsorbiraju se kristalom poluprovodnika, što dovodi do značajnog broja slobodnih elektrona u kristalu. To je osnovni razlog proizvodnje struje zbog fotovoltačnog efekta. Fotovoltačna celija je osnovna jedinica sustava gdje se fotovoltačni efekt koristi za proizvodnju električne energije iz svjetlosne. Silicij je najšire korišteni poluprovodni materijal za izgradnju fotovoltačne celije. Atomi silicija imaju četiri valentna elektrona. U čvrstom kristalu, svaki atom silicija dijeli svakog od svojih četiri valentna elektrona s najbližim atomom silicija, stvarajući kovalentne veze između njih. Na taj način, kristal silicija dobiva tetraedarsku mrežnu strukturu. Dok se svjetlost udara o bilo koje materijale, dio svjetlosti se odbija, dio prolazi kroz materijale, a ostatak apsorbira materijali.

Ista stvar se događa kada svjetlost padne na kristal silicija. Ako je intenzitet padne svjetlosti dovoljno visok, dovoljan broj fotona apsorbira se kristalom, a ti fotoni, na svoj red, uzbuđuju neke elektrone kovalentnih veza. Ti uzbuđeni elektroni zatim dobivaju dovoljno energije da migrišu iz valentne zone u provodnu zonu. Budući da je razine energije tih elektrona u provodnoj zoni, oni napuštaju kovalentnu vezu ostavljajući prazninu u vezi iza svakog uklonjenog elektrona. Ovi su slobodni elektroni nasumično se kreću unutar kristalne strukture silicija. Ovi slobodni elektroni i praznine imaju ključnu ulogu u stvaranju struje u fotovoltačnoj celiji. Ovi elektroni i praznine stoga se nazivaju elektroni i praznine generirani svjetlosti. Ovi elektroni i praznine generirani svjetlosti ne mogu sami proizvesti struju u kristalu silicija. Trebao bi postojati neki dodatni mehanizam za to.

Kada pentavalentni prisutnik, poput fosfora, dodamo siliciju, četiri valentna elektrona svakog pentavalentnog atoma fosfora dijele se kovalentnim vezama s četiri susjedna atoma silicija, a peti valentni elektron ne dobiva priliku da stvori kovalentnu vezu.

Ovaj peti elektron tada relativno slabo vezan je s roditeljskim atomom. Čak i pri sobnoj temperaturi, termalna energija dostupna u kristalu dovoljno je velika da odvoji ove relativno slabe pete elektrone od njihovog roditeljskog atoma fosfora. Dok se ovaj peti relativno slaba vezana elektron odvoji od roditeljskog atoma fosfora, atom fosfora ostaje nepokretno pozitivno ion. Reci se da se odvojeni elektron postane slobodan, ali nema nezavršene kovalentne veze ili praznine u kristalu s kojima bi se mogao ponovo spojiti. Ovi slobodni elektroni koji dolaze od pentavalentnih prisutnika uvijek su spremni da provode struju u poluprovodniku. Iako postoji broj slobodnih elektrona, ipak tijelo ostaje električno neutralno jer je broj pozitivnih jona fosfora zaključenih unutar kristalne strukture točno jednak broju slobodnih elektrona koji su iz njih izišli. Proces ubacivanja prisutnika u poluprovodnik poznat je kao dopiranje, a prisutnici koji se dopiraju poznati su kao dopanti. Pentavalentni dopanti koji daju svoj peti slobodni elektron poluprovodničkom kristalu poznati su kao donatori. Poluprovodnici dopirani donorima poznati su kao n-tip ili negativni tip poluprovodnika, budući da ima puno slobodnih elektrona koji su po prirodi negativno nabijeni.

Kada umjesto pentavalentnih atoma fosfora, trivalentni prisutni atomi poput boron dodaju se kristalu poluprovodnika, stvara se suprotan tip poluprovodnika. U ovom slučaju, neki atomi silicija u kristalnoj mreži zamijenit će se atomima borona, drugim riječima, atomi borona zauzmaju položaje zamijenjenih atoma silicija u mrežnoj strukturi. Tri valentna elektrona atoma borona uparuće se s valentnim elektronima tri susjedna atoma silicija kako bi se stvorile tri potpune kovalentne veze. Za ovu konfiguraciju, za svaki atom borona bit će atom silicija, čiji četvrti valentni elektron neće pronaći susjedne valentne elektrone kako bi dovršio svoju četvrtu kovalentnu vezu. Stoga ostaje neparušen četvrti valentni elektron tih atoma silicija i ponaša se kao nezavršena vez. Tako će nedostajati jedan elektron u nezavršenoj vezi, te će ta nezavršena vez uvijek privlačiti elektrone kako bi ispunila taj nedostatak. Tako postoji praznina za elektron da se smjesti.

Ova praznina konceptualno se naziva pozitivna praznina. U poluprovodniku dopiranom trivalentnim prisutnicima, značajan broj kovalentnih veza stalno se ruši kako bi se dovršile druge nezavršene kovalentne veze. Kada se jedna vez prekine, stvara se jedna praznina u njoj. Kada se jedna vez dovrši, praznina u njoj nestaje. Na taj način, jedna praznina izgleda da nestaje, a druga susjedna praznina se pojavljuje. Tako praznine imaju relativnu kretanje unutar kristala poluprovodnika. S obzirom na to, može se reći da praznine također mogu slobodno kretati kao slobodni elektroni unutar kristala poluprovodnika. Budući da svaka praznina može prihvatiti elektron, trivalentni prisutnici poznati su kao akceptor dopanti, a poluprovodnici dopirani akceptor dopantima poznati su kao p-tip ili pozitivni tip poluprovodnika.

U n-tipu poluprovodnika uglavnom slobodni elektroni nosili su negativni naboj, a u p-tipu poluprovodnika uglavnom praznine nosile su pozitivni naboj, stoga slobodni elektroni u n-tipu poluprovodnika i slobodne praznine u p-tipu poluprovodnika nazivaju se glavnim nositeljima u n-tipu poluprovodnika i p-tipu poluprovodnika, redom.

Uvijek postoji potencijalna prepreka između n-tipa i p-tipa materijala. Ova potencijalna prepreka je nužna za rad fotovoltačne ili sunčane celije. Kada n-tip poluprovodnika i p-tip poluprovodnika stupaju u kontakt, slobodni elektroni blizu površine kontakta n-tipa poluprovodnika dobivaju mnogo susjednih praznina p-tipa materijala. Stoga slobodni elektroni u n-tipu poluprovodnika blizu površine kontakta skoči u susjedne praznine p-tipa materijala kako bi se rekombinirali. Ne samo slobodni elektroni, već i valentni elektroni n-tipa materijala blizu površine kontakta ističu se iz kovalentne veze i rekombiniraju s bližim prazninama u p-tipu poluprovodnika. Kako se kovalentne veze prekidaju, stvorit će se broj praznina u n-tipu materijala blizu površine kontakta. Stoga, blizu zone kontakta, praznine u p-tipu materijala nestaju zbog rekombinacije, a s druge strane, praznine se pojavljuju u n-tipu materijala blizu iste zone kontakta. To je ekvivalentno migraciji praznina od p-tipa prema n-tipu poluprovodnika. Dakle, čim se jedan n-tip poluprovodnika i jedan p-tip poluprovodnika dodirnu, elektroni iz n-tipa prenose se na p-tip, a praznine iz p-tipa prenose se na n-tip. Taj proces je vrlo brz, ali ne nastavlja se zauvijek. Nakon nekog trenutka, postojiće sloj negativnog naboja (pretjeranih elektrona) u p-tipu poluprovodnika blizu površine kontakta. Slično tome, postojiće sloj pozitivnog naboja (pozitivnih iona) u n-tipu poluprovodnika blizu površine kontakta. Debljina ovih slojeva negativnog i pozitivnog naboja povećava se do određene mjere, ali nakon toga više elektrona neće migrirati iz n-tipa poluprovodnika prema p-tipu poluprovodnika. To je zato što, dok se bilo koji elektron n-tipa poluprovodnika pokuša premjestiti preko p-tipa poluprovodnika, suoči se sa dovoljno debljim slojem pozitivnih iona u samom n-tipu poluprovodnika, gdje će pasti bez prelaska. Slično tome, praznine više neće migrirati prema n-tipu poluprovodnika iz p-tipa. Praznine, kad pokušaju preći negativni sloj u p-tipu poluprovodnika, rekombiniraju s elektronima i ne nastavljaju se kretati prema regiji n-tipa.

Drugim riječima, negativni sloj naboja na strani p-tipa i pozitivni sloj naboja na strani n-tipa zajedno formiraju prepreku koja sprječava migraciju nositelja naboja s jedne strane na drugu. Slično tome, praznine u regiji p-tipa zadržane su od ulaska u regiju n-tipa. Zbog pozitivnih i negativnih slojeva naboja, postoji električno polje preko regije, a ta regija se naziva iscrpljena zona.

Sada idemo na kristal silicija. Kada svjetlost udari na kristal, dio svjetlosti apsorbira se kristalom, i kao posljedica toga, neki valentni elektroni se uzbuđuju i izlaze iz kovalentne veze rezultirajući slobodnim parovima elektron-praznina.

Ako svjetlost udari na n-tip poluprovodnika, elektroni iz takvih parova elektron-praznina generiranih svjetlosti ne mogu migrirati u regiju p-tipa, jer ne mogu preći potencijalnu prepreku zbog odbijanja električnog polja preko iscrpljene zone. U isto vrijeme, praznine generirane svjetlosti prelaze iscrpljenu zonu zbog privlačnosti električnog polja iscrpljene zone, gdje se rekombiniraju s elektronima, a nedostatak elektrona tamo nadomešta valentni elektroni p-regije, što stvara toliko praznina u p-regiji. Tako su praznine generirane svjetlosti pomaknute u p-regiju, gdje su zarobljene jer jednom kada dođu u p-regiju ne mogu vratiti se u n-tip regiju zbog odbijanja potencijalne prepreke.

Budući da je negativni naboj (generirani elektroni svjetlosti) zarobljen na jednoj strani, a pozitivni naboj (generirane praznine svjetlosti) zarobljen na suprotnoj strani celije, bit će razlika potencijala između tih dviju strana celije. Ta razlika potencijala obično iznosi 0,5 V. Tako fotovoltačne celije ili sunčane celije proizvode razliku potencijala.

Izjava: Poštujte original, dobre članke vrijede podijeliti, ako postoji kršenje autorskih prava kontaktirajte za brisanje.