Սոլային կամ ֆոտոէլեկտրական բատարիայի աշխատանքի սկզբունքը

Ալիքային էներգիայի կայուն էլեկտրական էներգիայի վերափոխումը հիմնված է կանոնավորության վրա, որը կոչվում է ֆոտովոլտային էֆեկտ։ Երբ սեմիկոնդուկտորային նյութերը ցանկացած լույսին ներկայացվում են, լույսի ֆոտոնների մի մասը կրճատվում է սեմիկոնդուկտորային կրիստալում, որը հետևաբար առաջացնում է կրիստալում զուգահեռ էլեկտրոնների շատ քանակը։ Սա էլեկտրական էներգիայի առաջացման հիմնական պատճառն է ֆոտովոլտային էֆեկտի շնորհիվ։ Ֆոտովոլտային էլեմենտ է համակարգի հիմնական միավորը, որտեղ ֆոտովոլտային էֆեկտը օգտագործվում է լույսի էներգիայից էլեկտրական էներգիա ստանալու համար։ Սիլիկոնը ամենալայնորեն օգտագործվող սեմիկոնդուկտորային նյութն է ֆոտովոլտային էլեմենտների կառուցման համար։ Սիլիկոնի ատոմը ունի չորս վալենտային էլեկտրոն։ .Solid crystal-ում յուրաքանչյուր սիլիկոնի ատոմ կիսով իր չորս վալենտային էլեկտրոնները հատում է մոտակա սիլիկոնի ատոմի հետ, որը հետևաբար ստեղծում է կովալենտ կապեր դրանց միջև։ Այս ձևով սիլիկոնի կրիստալը ստանում է տետրաեդրալ ցանցային կառուցվածք։ Երբ լույսը հարվածում է նյութի վրա, լույսի մի մասը պատրաստվում է, մի մասը կանցնում է նյութի միջով և մնացածը կրճատվում է նյութով։

Նույնը տեղի է ունենում, երբ լույսը հարվածում է սիլիկոնի կրիստալին։ Եթե լույսի ինտենսիվությունը բավականաչափ բարձր է, կրիստալը կրճատում է բավականաչափ քանակությամբ ֆոտոններ, որոնք, իր հերթին, ակտիվացնում են կովալենտ կապերի մի քանի էլեկտրոններ։ Այս ակտիվացված էլեկտրոնները հետևաբար ստանում են բավական էներգիա, որպեսզի տեղափոխվեն վալենտային կողմից կոնդուկտանդ կողմ։ Քանի որ այս էլեկտրոնների էներգիայի մակարդակը կոնդուկտանդ կողմում է, նրանք հեռանում են կովալենտ կապից, թողնելով հոլ կապի հետ հեռացված յուրաքանչյուր էլեկտրոնի հետ։ Այս ազատ էլեկտրոնները պատահական կերպով շարժվում են սիլիկոնի կրիստալի կառուցվածքում։ Այս ազատ էլեկտրոնները և հոլերը ունեն կարևոր դեր էլեկտրական էներգիայի ստեղծման մեջ ֆոտովոլտային էլեմենտ-ում։ Այս էլեկտրոնները և հոլերը համապատասխանաբար կոչվում են լույսից ծնված էլեկտրոններ և հոլեր։ Այս լույսից ծնված էլեկտրոնները և հոլերը միայն սիլիկոնի կրիստալում չեն կարող ստեղծել էլեկտրական էներգիա։ Դրա համար պետք է լինի որոշակի մեխանիզմ։

Երբ սիլիկոնին ավելացվում է հինգվալենտային միավոր իմպուրիտան, ինչպիսին է ֆոսֆորը, հինգվալենտային ֆոսֆորի ատոմի չորս վալենտային էլեկտրոնները կովալենտ կապերի միջոցով կիսով հատվում են չորս հարակից սիլիկոնի ատոմների հետ, իսկ հինգերորդ վալենտային էլեկտրոնը չի ստանում կարողություն ստեղծել կովալենտ կապ։

Այս հինգերորդ էլեկտրոնը համապատասխանաբար թույլ կապված է իր ծնող ատոմի հետ։ Նույնիսկ սեղանակային ջերմության դեպքում, կրիստալում հասանելի թերմալ էներգիան բավական է, որպեսզի դանդաղ այս հինգերորդ էլեկտրոնը տարանջատեն իր ծնող ֆոսֆորի ատոմից։ Երբ այս հինգերորդ ազատ էլեկտրոնը տարանջատվում է ծնող ֆոսֆորի ատոմից, ֆոսֆորի ատոմը դառնում է անշարժ դրական իոններ։ Հաստատուն դարձած էլեկտրոնը ազատ է, բայց նրան չի կա կամայական անպատահ կովալենտ կապ կամ հոլ կրիստալում, որպեսզի նորից կապվի։ Այս ազատ էլեկտրոնները հինգվալենտային իմպուրիտային աղանդից դեռ կարող են հոսք հանդիսացնել սեմիկոնդուկտորում։ Չնայած ազատ էլեկտրոնների թվին, նյութը էլեկտրականորեն նեյտրալ է, քանի որ դրական ֆոսֆորի իոնների թիվը, որոնք սահմանափակված են կրիստալային կառուցվածքում, ճիշտ է համընկնում այն ազատ էլեկտրոնների թվի հետ, որոնք դրանցից ելնում են։ Սեմիկոնդուկտորներում իմպուրիտաների ավելացումը անվանում են դոփինգ, իսկ իմպուրիտաները անվանում են դոփանտներ։ Հինգվալենտային դոփանտները, որոնք իրենց հինգերորդ ազատ էլեկտրոնը ներկայացնում են սեմիկոնդուկտորային կրիստալին, կոչվում են դանորներ։ Դանորներով դոփանգած սեմիկոնդուկտորները կոչվում են n-տիպ կամ բացասական տիպ սեմիկոնդուկտորներ, քանի որ նրանք ունեն շատ ազատ էլեկտրոններ, որոնք բնորոշ են բացասական լիցքով։

Երբ փենթվալենտային ֆոսֆորի ատոմների փոխարեն սեմիկոնդուկտորային կրիստալին ավելացվում են երեքվալենտային իմպուրիտան ատոմներ, ինչպիսին է բորը, հակառակ տիպի սեմիկոնդուկտոր կառուցվում է։ Այս դեպքում կրիստալային ցանցում որոշ սիլիկոնի ատոմները փոխարինվում են բորի ատոմներով, այլ կերպ ասած, բորի ատոմները զբաղեցնում են փոխարինված սիլիկոնի ատոմների դիրքերը ցանցային կառուցվածքում։ Բորի ատոմի երեք վալենտային էլեկտրոնները կովալենտ կապեր ստեղծում են երեք հարակից սիլիկոնի ատոմների հետ։ Այս կոնֆիգուրացիայում յուրաքանչյուր բորի ատոմի համար կա սիլիկոնի ատոմ, որի չորրորդ վալենտային էլեկտրոնը չի գտնում հարակից վալենտային էլեկտրոններ իր չորրորդ կովալենտ կապը համակարգելու համար։ Այսպիսով, այս սիլիկոնի ատոմների չորրորդ վալենտային էլեկտրոնը մնում է չհամակարգված և վարվում է որպես անպատահ կապ։ Այսպիսով, անպատահ կապում կա էլեկտրոնի բացակայություն, և այս անպատահ կապը միշտ է հավանում էլեկտրոն հավանականացնել այս բացակայությունը լրացնելու համար։ Այսպիսով, կա դիրք էլեկտրոնի համար նստելու համար։

Այս դիրքը կոնցեպտուալ կանվանենք դրական հոլ։ Երեքվալենտային իմպուրիտան դոփանգած սեմիկոնդուկտորում շատ քանակությամբ կովալենտ կապեր շարունակ են դուրս գալու այլ անպատահ կովալենտ կապերը լրացնելու համար։ Երբ մի կապ դուրս է գալիս, այնտեղ ստեղծվում է մի հոլ։ Երբ մի կապ լրացվում է, այնտեղ հոլը անհետանում է։ Այս ձևով, մի հոլը թվում է անհետանում մյուս հոլը հայտնվում է կարգավոր հարևանում։ Այսպիսով, հոլերը ունեն հարաբերական շարժում սեմիկոնդուկտորային կրիստալում։ Այս դիտողության հետ կարող է ասալ, որ հոլերը նույնպես կարող են ազատորով շարժվել սեմիկոնդուկտորային կրիստալում, ինչպես ազատ էլեկտրոնները։ Որպես յուրաքանչյուր հոլ կարող է ընդունել էլեկտրոն, երեքվալենտային իմպուրիտանները կոչվում են ընդունող դոփանտներ, իսկ ընդունող դոփանտներով դոփանգած սեմիկոնդուկտորները կոչվում են p-տիպ կամ դրական տիպ սեմիկոնդուկտորներ։

n-տիպ սեմիկոնդուկտորում գլխավորապես ազատ էլեկտրոնները կրում են բացասական լիցք, իսկ p-տիպ սեմիկոնդուկտորում գլխավորապես հոլերը հերթին կրում են դրական լիցք, ուստի ազատ էլեկտրոնները n-տիպ սեմիկոնդուկտորում և ազատ հոլերը p-տիպ սեմիկոնդուկտորում համապատասխանաբար կոչվում են մեծամասնական միջոցառողներ n-տիպ և p-տիպ սեմիկոնդուկտորներում։

Միշտ կա պոտենցիալ բարիեր n-տիպ և p-տիպ նյութերի միջև։ Այս պոտենցիալ բարիերը կարևոր է ֆոտովոլտային կամ արևային էլեմենտի աշխատանքի համար։ Երբ n-տիպ սեմիկոնդուկտորը և p-տիպ սեմիկոնդոնտորը կապվում են միմյանց հետ, կապման մակերեսի կարգավոր ազատ էլեկտրոնները n-տիպ սեմիկոնդուկտորում ստանում են բավականաչափ հարակից հոլեր p-տիպ նյութում։ Այսպիսով, n-տիպ սեմիկոնդուկտորում կապման մակերեսի կարգավոր ազատ էլեկտրոնները կայանում են հոլերի հետ p-տիպ նյութում համար վերամիավորվելու համար։ Ոչ միայն ազատ էլեկտրոնները, այլև կապման մակերեսի կարգավոր վալենտային էլեկտրոնները n-տիպ նյութում դուրս են գալիս կովալենտ կապից և վերամիավորվում են ավելի հարակից հոլերի հետ p-տիպ սեմիկոնդուկտորում։ Քանի որ կովալենտ կապերը դուրս են գալիս, կապման մակերեսի կարգավոր կապերում կա հոլերների քանակ։ Այսպիսով, կապման կենտրոնում p-տիպ նյութում հոլերը անհետանում են վերամիավորման համար, իսկ հոլերները հայտնվում են n-տիպ նյութում նույն կապման կենտրոնում։ Այս համարժեք է հոլերի հատկանիշի համար հանգում է համար n-տիպ սեմիկոնդուկտորին։ Այսպիսով, մինչև մի n-տիպ սեմիկոնդուկտոր և մի p-տիպ սեմիկոնդուկտոր կապվեն, էլեկտրոնները n-տիպ նյութից կտե