სოლარული ელემენტის ან ფოტოვოლტაიკური ელემენტის მუშაობის პრინციპი

სინათლის ენერგიის ელექტროენერგიაში გადაყვანა ფოტოვოლტაიკური ეფექტის სახელით ცნობილი მოვლენის ზედაპირზე დაფუძნებულია. როდესაც სემიკონდუქტორული მასალები სინათლით არის შეხვეული, სინათლის შურის ზოგიერთი ფოტონი არის შეხვეული სემიკონდუქტორულ კრისტალში, რაც კრისტალში თავისუფალი ოქსიგენების დიდი რაოდენობის წარმოქმნას გამოწვევს. ეს არის ფოტოვოლტაიკური ეფექტის გამო ელექტროენერგიის წარმოების ძირითადი მიზეზი. ფოტოვოლტაიკური უჯრა არის სისტემის ძირითადი ერთეული, სადაც ფოტოვოლტაიკური ეფექტი გამოიყენება სინათლის ენერგიის ელექტროენერგიაში გადაყვანისთვის. სილიკონი არის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული სემიკონდუქტორული მასალა ფოტოვოლტაიკური უჯრის დასაშექმნელად. სილიკონის ოქსიგენი აქვს სამი ვალენტური ოქსიგენი. თვითნებურ კრისტალში თითოეული სილიკონის ოქსიგენი თავისი სამი ვალენტური ოქსიგენის თითოეულს უზრუნველყოფს სხვა უახლოეს სილიკონის ოქსიგენთან კოვალენტური ბადების შექმნას. ამგვარად, სილიკონის კრისტალი იღებს ტეტრაედრულ გრეიტისტრუქტურას. როდესაც სინათლის შური შეხვეულია ნებისმიერ მასალას, სინათლის ზოგიერთი ნაწილი არის რეფლექტირებული, ზოგიერთი ნაწილი არის გადატაცებული მასალის მართულით და ნაშთი არის შეხვეული მასალაში.

იგივე ხდება როდესაც სინათლის შური შეხვეულია სილიკონის კრისტალზე. თუ შეხვეული სინათლის ინტენსივობა საკმარისია, საკმარისი რაოდენობის ფოტონები არის შეხვეული კრისტალში და ეს ფოტონები, თავის მხრივ, ზოგიერთ კოვალენტურ ბადებში შემავალ ელექტრონებს აღართებენ. ეს აღართებული ელექტრონები იღებენ საკმარის ენერგიას ვალენტური ზონიდან კონდუქტორულ ზონაში გადასვლისთვის. რადგან ეს ელექტრონების ენერგიის დონე კონდუქტორულ ზონაშია, ისინი ტოვებენ კოვალენტურ ბადს და დატოვებული ელექტრონის თითოეული უჯრაში დარჩენილი უჯრა. ეს არის თავისუფალი ელექტრონები, რომლებიც შემთხვევით მოძრაობენ სილიკონის კრისტალურ სტრუქტურაში. ეს თავისუფალი ელექტრონები და უჯრები აქვთ საჭირო როლი ელექტროენერგიის შექმნაში ფოტოვოლტაიკური უჯრაში. ეს ელექტრონები და უჯრები ასევე არიან ცნობილი როგორც სინათლით შექმნილი ელექტრონები და უჯრები შესაბამისად. ეს სინათლით შექმნილი ელექტრონები და უჯრები არ შეიძლება თავად შექმნან ელექტროენერგიას სილიკონის კრისტალში. აქ უნდა იყოს რაღაც დამატებითი მექანიზმი ამის გაკეთებისთვის.

როდესაც სილიკონში დაემატება პენტავალენტური დანარჩენი, როგორიცაა ფოსფორი, თითოეული პენტავალენტური ფოსფორის ოქსიგენის სამი ვალენტური ოქსიგენი უზრუნველყოფს კოვალენტური ბადების შექმნას სამი მეზობელ სილიკონის ოქსიგენთან, ხოლო ხუთი ვალენტური ოქსიგენი არ იღებს შესაძლებლობას კოვალენტური ბადის შექმნას.

ეს ხუთი ელექტრონი შემდეგ შემთხვევით დაუკავშირდება თავის მშობლიურ ატომს. თუმცა სახლის ტემპერატურაზე კრისტალში ხელმისაწვდომი ტერმინალური ენერგია საკმარისია, რომ ეს შემთხვევით ხუთი ელექტრონი დაეშოროს თავის მშობლიურ ფოსფორის ატომს. როდესაც ეს ხუთი შემთხვევით ელექტრონი დაეშორება ფოსფორის ატომს, ფოსფორის ატომი ხდება არამოძრავი დადებითი იონი. ამ დაშორებული ელექტრონი ხდება თავისუფალი, მაგრამ არ აქვს არასრული კოვალენტური ბადი ან უჯრა კრისტალში დასარეკებლად. ეს თავისუფალი ელექტრონები, რომლებიც მოდის პენტავალენტური დანარჩენიდან, ყოველთვის მზადაა სანათლის შემთხვევით დაშორებული ელექტრონების მიერ დაშორებული ფოსფორის ატომების რაოდენობაზე ზუსტად ტოლია. სემიკონდუქტორში დანარჩენების ჩასატაცებლად პროცესი ცნობილია როგორც დოპირება, ხოლო დანარჩენები დოპირებისთვის ცნობილია როგორც დოპანტები. პენტავალენტური დოპანტები, რომლებიც თავის ხუთი თავისუფალი ელექტრონი გადასცემენ სემიკონდუქტორულ კრისტალს, ცნობილია როგორც დონორები. დონორებით დოპირებული სემიკონდუქტორები ცნობილია როგორც n-ტიპის ან უარყოფითი ტიპის სემიკონდუქტორები, რადგან აქ არის დიდი რაოდენობის თავისუფალი ელექტრონები, რომლებიც ბუნებით უარყოფითი ტიპისაა.

როდესაც პენტავალენტური ფოსფორის ატომების ნაცვლად სემიკონდუქტორულ კრისტალში დაემატება ტრივალენტური დანარჩენები, როგორიცაა ბორი, შექმნილი იქნება საპირისპირო ტიპის სემიკონდუქტორი. ამ შემთხვევაში, კრისტალურ გრეიტისტრუქტურაში ზოგიერთი სილიკონის ატომი შეიცვლება ბორის ატომებით, ანუ ბორის ატომები დაიკავებენ შეცვლილი სილიკონის ატომების პოზიციებს გრეიტისტრუქტურაში. ბორის ატომის სამი ვალენტური ოქსიგენი შეიქმნება სამი მეზობელ სილიკონის ოქსიგენთან სამი სრულ კოვალენტურ ბადის შექმნით. ამ კონფიგურაციისთვის, თითოეული ბორის ატომისთვის იქნება სილიკონის ატომი, რომლის მეოთხე ვალენტური ოქსიგენი არ იპოვის მეზობელ ვალენტურ ოქსიგენს თავისი მეოთხე კოვალენტური ბადის შესასრულებლად. ამიტომ ეს მეოთხე ვალენტური ოქსიგენი სილიკონის ატომებისთვის რჩება არასრული და იქცევა არასრულ ბადად. ასე რომ, არასრულ ბადში ელექტრონის დასარეკელი არასრული ბადის შესასრულებლად იქნება ვაკანსია.

ეს ვაკანსია კონცეფტუალურად ცნობილია როგორც დადებითი უჯრა. ტრივალენტური დოპანტებით დოპირებულ სემიკონდუქტორში დიდი რაოდენობის კოვალენტური ბადები უწყვეტად იკისრება სხვა არასრულ კოვალენტურ ბადების შესრულებისთვის. როდესაც ერთი ბადი იკისრება, ერთი უჯრა იქნება შექმნილი მასში. როდესაც ერთი ბადი შეიქმნება, უჯრა მასში იქნება გაქვსირებული. ამგვარად, ერთი უჯრა ჩანს, რომ გაქვსირდება სხვა მეზობელ უჯრაში. ასე რომ, უჯრები შეიძლება შეიქმნას შესაბამისი მოძრაობა სემიკონდუქტორულ კრისტალში. ამიტომ შეიძლება თქვათ, რომ უჯრებიც შეიძლება თავისუფალი მოძრაობენ სემიკონდუქტორულ კრისტალში, როგორც თავისუფალი ელექტრონები. რადგან თითოეული უჯრა შეიძლება დაარეკოს ერთ ელექტრონს, ტრივალენტური დოპანტები ცნობილია როგორც აქცეპორები და სემიკონდუქტორები, რომლებიც დოპირებულია აქცეპორებით, ცნობილია როგორც p-ტიპის ან დადებითი ტიპის სემიკონდუქტორები.

n-ტიპის სემიკონდუქტორში ძირითადად თავისუფალი ელექტრონები გადაჰყავს უარყოფით ტიპის ტარებას და p-ტიპის სემიკონდუქტორში ძირითადად უჯრები გადაჰყავს დადებით ტიპის ტარებას, ამიტომ n-ტიპის სემიკონდუქტორში თავისუფალი ელექტრონები და p-ტიპის სემიკონდუქტორში თავისუფალი უჯრები არიან ცნობილი როგორც ძირითადი ტარებები n-ტიპის და p-ტიპის სემიკონდუქტორებში შესაბამისად.

ყოველთვის არსებობს პოტენციური ბარიერი n-ტიპის და p-ტიპის მასალებს შორის. ეს პოტენციური ბარიერი არის საჭირო ფოტოვოლტაიკური ან სოლარული უჯრის მუშაობისთვის. როდესაც n-ტიპის სემიკონდუქტორი და p-ტიპის სემიკონდუქტორი შეხვეულია ერთმანეთთან, n-ტიპის სემიკონდუქტორის თავისუფალი ელექტრონები ახლოს შეხვედრის ზედაპირს არის არასრული უჯრები p-ტიპის მასალაში. ამიტომ, n-ტიპის სემიკონდუქტორში ახლოს შეხვედრის ზედაპირს თავისუფალი ელექტრონები გადადიან ახლოს უჯრებში p-ტიპის მასალაში რეკომბინაციისთვის. არა მხოლოდ თავისუფალი ელექტრონები, არამედ n-ტიპის მასალის ვალენტური ელექტრონები ახლოს შეხვედრის ზედაპირს არის გადადიან კოვალენტური ბადებიდან და რეკომბინირებულია უფრო ახლოს უჯრებში p-ტიპის სემიკონდუქტორში. რადგან კოვალენტური ბადები იკისრება, იქნება რამდენიმე უჯრა შექმნილი n-ტიპის მასალაში ახლოს შეხვედრის ზედაპირს. ამიტომ, შეხვედრის ზედაპირთან ახლოს, p-ტიპის მასალაში უჯრები იქნება გაქვსირებული რეკომბინაციის გამო, ხოლო უჯრები შეიქმნება n-ტიპის მასალაში იგივე შეხვედრის ზედაპირთან ახლოს. ეს არის ტოლფასი უჯრების მიტაცების გადატაცება p-ტიპის და n-ტიპის სემიკონდუქტორებს შორის. ასე რომ, როდესაც ერთი n-ტიპის სემიკონდუქტორი და ერთი p-ტიპის სემიკონდუქტორი შეხვეულია, ელექტრონები გადადიან n-ტიპის სემიკონდუქტორიდან p-ტიპის სემიკონდუქტორში და უჯრები გადადიან p-ტიპის სემიკონდ