Napelem vagy fotovoltaikus elem működési elve

A fényenergia átalakítása villamos energiává egy olyan jelenségre alapul, amit fotovoltaikus hatásnak hívnak. Amikor fényre gyakorlatilag érzékeny anyagokat, például félvezetőket, napfényre teszünk, a fényfolyam részét képező fotonok részben felvételbe kerülnek a félvezető kristályban, ami erősen növeli a szabad elektronok számát a kristályban. Ez az alapvető ok, ami a fotovoltaikus hatás miatt a villamos energia termeléséért felelős. A fotovoltaikus cella a rendszer alapegysége, ahol a fotovoltaikus hatást használják a fényenergia elektromos energiára történő átalakításához. A szilícium a leggyakrabban használt félvezető anyag a fotovoltaikus cellák készítéséhez. A szilíciumatomnak négy valenz-elektorn van. Szilíciumkristályban minden szilíciumatom mindegyik valenzeletrónját osztja meg a közeli szilíciumatommal, így kovalens kötések jönnek létre közöttük. Így a szilíciumkristály tetraéderes rácsstruktúrával rendelkezik. Amikor fény sugarak ütnek bármilyen anyagra, a fény része visszaverődik, része átmegy az anyagon, és a maradék részét az anyag elnyeli.

Ugyanez történik, amikor fény esik a szilíciumkristályra. Ha a beérkező fény intenzitása elegendően nagy, akkor a kristálynak elegendő számú fotonot veszi fel, és ezek a fotonok, sorra, izgatják a kovalens kötésekben található elektronokat. Ezek az izgatott elektronok elegendő energiát kapnak ahhoz, hogy a valenzszintből a vezetési sávba mozogjanak. Mivel ezek az elektronok energiaszintje a vezetési sávban van, elhagyják a kovalens kötést, és hátrahagyják a kötésben a helyüket. Ezeket a szabad elektronokat nevezzük, melyek véletlenszerűen mozognak a szilícium kristálystruktúráján belül. Ezek a szabad elektronok és lyukak kulcsszerepet játszanak a fotovoltaikus cellaban lévő villamos energia előállításában. Ezeket az elektronokat és lyukakat a fény által generált elektronok és lyukak néven is emlegetik. Ezek a fény által generált elektronok és lyukak nem tudnak magukban villamos energiát előállítani a szilíciumkristályban. Ezen felül kellene egy további mechanizmus, hogy ezt megtegye.

Amikor péntavalens vegyület, mint például a foszfor, hozzáadódik a szilíciumhoz, a péntavalens foszforatomok negyedik valenz-eletrónja kovalens kötéssel részesül a szomszédos szilíciumatomokkal, míg az ötödik valenz-eletrón nem alkot kovalens kötést.

Ez az ötödik elektron viszont relatíve kevésbé kötődik a szülő atomjához. Még a szobahőmérsékleten is, a kristályban elérhető hőenergia elegendő ahhoz, hogy ezeket a relatíve kevésbé kötődő ötödik elektronokat elválasztja a szülő foszforatomtól. Miközben ez az ötödik, relatíve kevésbé kötődő elektron elválasztódik a szülő foszforatomtól, a foszforatom immóbile pozitív ionokká válik. Az elválasztott elektron szabad lesz, de nincs benne teljesen megszakított kovalens kötés vagy lyuka a kristályban, ahol újra köthető. Ezek a szabad elektronok, amik a péntavalens vegyületből származnak, mindig készen állnak a félvezetőben a működésre. Bár számos szabad elektron van, a anyag mégis elektromosan semleges, mert a pozitív foszforionok száma, amiket a kristálystruktúrában zártak, pontosan megegyezik a szabad elektronok számával, amik onnan származnak. A vegyületek behelyettesítése a félvezetőbe, amit dobozolásként ismert, a dobozoló vegyületeket pedig dobozoló vegyületeknek nevezik. A péntavalens dobozoló vegyületek, amik ötödik szabad elektront adnak a félvezető kristálynak, adóknak nevezik. A dobozoló vegyületekkel dobozolt félvezetőket n-típusúvá, vagy negatív típusúvá hívják, mivel sok szabad elektron van, ami természetesen negatívan töltött.

Ha a péntavalens foszforatomok helyett trivalens vegyületeket, mint például a borot, adjuk hozzá a félvezető kristályhoz, ellentétes típusú félvezetőt hozunk létre. Ebben az esetben, a kristályrácsban található néhány szilíciumatom helyettesül boratomokkal, más szavakkal, a boratomok foglalják el a lecserélés során eltávolított szilíciumatomok helyét a rácsstruktúrában. A boratom három valenz-eletrónja párba áll a három szomszédos szilíciumatom valenz-eletrónjával, így három teljes kovalens kötést hoz létre. Ennek a konfigurációnak megfelelően minden boratomhoz tartozik egy szilíciumatom, aminek negyedik valenz-eletrónja nem talál partner valenz-eletrónokat a negyedik kovalens kötés teljesítéséhez. Így ez a szilíciumatom negyedik valenz-eletrónja marad páratlan, és viselkedik, mint egy teljesen megszakított kötés. Tehát a teljesen megszakított kötésben hiányzik egy elektron, és ezért a teljesen megszakított kötés mindig vonzza az elektronokat, hogy kitöltsék ezt a hiányosságot. Így ott van egy hely az elektronok számára, hogy leüljenek.

Ezt a helyet konceptuálisan pozitív lyuknak hívják. A trivalens vegyülettel dobozolt félvezetőben a kovalens kötések folyamatosan megszakadnak, hogy teljesítsék más, teljesen megszakított kovalens kötéseket. Amikor egy kötés megszakad, egy lyuk jön létre benne. Amikor egy kötés teljes, a benne lévő lyuk eltűnik. Így egy lyuk úgy tűnik, hogy eltűnik, miközben egy másik szomszédos lyuk jelenik meg. Így a lyukak relatív mozgást mutatnak a félvezető kristályon belül. Ebből a szempontból mondható, hogy a lyukak is szabadon mozoghatnak, mint a szabad elektronok a félvezető kristályon belül. Mivel minden lyuk elfogadhat egy elektront, a trivalens vegyületeket elfogadó vegyületeknek, és a velük dobozolt félvezetőket p-típusúnak, vagy pozitív típusúnak hívják.

Az n-típusú félvezetőben főként a szabad elektronok viselnek negatív töltést, míg a p-típusú félvezetőben főként a lyukak viselnek pozitív töltést, tehát az n-típusú félvezetőben a szabad elektronok, és a p-típusú félvezetőben a szabad lyukak a legtöbb esetben töltésviszonyokat képviselnek, amiket rendre n-típusú és p-típusú félvezetőkben a legtöbb esetben töltésviszonyoknak hívunk.

Mindig van potenciális akadály az n-típusú és p-típusú anyagok között. Ez a potenciális akadály létfontosságú a fotovoltaikus vagy napelem működéséhez. Amikor az n-típusú félvezető és a p-típusú félvezető egymással érintkeznek, az n-típusú félvezető kontaktfelületéhez közeli szabad elektronok szomszédos p-típusú anyag lyukaihoz jutnak. Így az n-típusú félvezető kontaktfelületéhez közeli szabad elektronok ugrálnak a p-típusú anyag szomszédos lyukaihoz, hogy újraszervezzék őket. Nem csak a szabad elektronok, hanem az n-típusú anyag kontaktfelületéhez közeli valenz-elektronok is kijönnek a kovalens kötésekben, és újraszerveznek a p-típusú félvezetőben lévő lyukakkal. Mivel a kovalens kötések megszakadnak, a kontaktfelületéhez közeli n-típusú anyagban számos lyuk jön létre. Így a kontaktfelület közeli területén a p-típusú anyagban lévő lyukak eltűnnek a rekonfiguráció miatt, míg a kontaktfelület közeli területén az n-típusú anyagban lyukak jelennek meg. Ez ekvivalens a lyukak áramlásával a p-típusú anyagból az n-típusú anyagba. Így, amint egy n-típusú félvezető és egy p-típusú félvezető érintkeznek, az elektronok az n-típusúból áttelepülnek a p-típusúba, és a lyukak a p-típusúból áttelepülnek az n-típusúba. A folyamat nagyon gyors, de nem tart folyamatosan. Pár pillanat után negatív töltés (túlmaradt elektronok) réteg jön létre a p-típusú félvezetőben a kontaktfelület mellett, míg pozitív töltés (pozitív iónok) réteg jön létre az n-típusú félvezetőben a kontaktfelület mellett. A negatív és pozitív töltés rétegek vastagsága bizonyos mértékig növekszik, de ezt követően már nincs több elektron, amely áttelepül az n-típusú félvezetőből a p-típusú félvezetőbe. Ez azért van, mert, amikor bármely n-típusú félvezető elektron megpróbál áttelepülni a p-típusú félvezetőre, eléggé vastag pozitív iónok réteg találkozik vele az n-típusú félvezetőben, ahol leesik, anélkül, hogy átlépne. Ugyanígy a lyukak már nem áttelepülnek a p-típusú félvezetőből az n-típusúba. A lyukak, amik mikor megpróbálnak áttelepülni a negatív rétegen keresztül a p-típusú félvezetőben, újraszerveznek az elektronokkal, és nem mozdulnak tovább az n-típusú régió felé.

Más szavakkal, a negatív töltés rétege a p-típusú oldalon, és a pozitív töltés rétege az n-típusú oldalon együtt formál egy akadályt, amely ellenzi a töltésvizsgálók áramlását az egyik oldalról a másik oldalra. Hasonlóképpen, a p-típusú régióban lévő lyukak visszatartódnak, hogy belelépjék az n-típusú régiót. A pozitív és negatív töltés rétegek miatt egy elektromos mező jön létre a régióban, és ezt a régiót kiürített régiónak hívják.

Most térjünk vissza a szilícium kristályhoz. Amikor fény sugarak ütnek a kristályra, a fény része elnyelődik a kristályban, és ennek eredményeként néhány valenz-elektron izgatódik, és kijön a kovalens kötésekben, szabad elektron-lyuk párokat hozva létre.

Ha a fény üt az n-típusú félvezetőre, a fény által generált elektron-lyuk párok elektronjai nem tudnak áttelepülni a p-régióba, mert nem tudják átlépni a potenciális akadályt, mert a kiürített régió elektromos mezője ellenzi őket. Ugyanakkor, a fény által generált lyukak áttelepülnek a kiürített régió elektromos mezőjének vonzásával, ahol újraszerveznek az elektronokkal, és a hiányzó elektronokat a p-régió valenz-elektronjai pótolják, és ezzel a p-régióban ugyanennyi számú lyuk jön létre. Így a fény által generált lyukak áttelepülnek a p-régióba, ahol rabszolgálatba kerülnek, mert amint a p-régióba kerülnek, nem tudnak visszaállni az n-típusú régióba a potenciális akadály ellenállása miatt.

Mivel a negatív töltés (fény által generált elektronok) egyik oldalon, a pozitív töltés (fény által generált lyukak) pedig a másik oldalon van, potenciális különbség jön létre a cella két oldala között. Ez a potenciális különbség tipikusan 0,5 V. Így jön létre a fotovoltaikus cellák vagy napelemek által generált potenciális különbség.

Kijelentés: Tiszteletben tartsuk az eredeti, jó cikkek megosztásra méltóak, ha sértés történik, kérjük, forduljon hozzánk a törlésért.