Күн энергиясының модулі немесе фотovoltaic модулінің қалыптасуы
Жарық энергиясының электр энергиясына айналуы фотогальваникалық эффект деп аталатын құбылдаққа негізделген. Семи-өндіріс материалдары жарыққа түседі, сонда жарық нурдың фотондарының бір бөлігі семи-өндіріс кристалына қабылданады, ол кристалдағы ерекше электрондардың саны артады. Бұл - фотогальваникалық эффект негізінде электр энергиясы өндіру үшін негізгі себеп. Фотогальваникалық элемент - бұл фотогальваникалық эффектпен жарық энергиясынан электр энергиясы өндіруге қолданылатын системаның негізгі бөлігі. Кремний - фотогальваникалық элементтерді құрастыру үшін ең кеңістікте қолданылатын семи-өндіріс материалы. Кремний атомының төрт валиент электроны бар. Жұмсақ кристалда әрбір кремний атомы өзінің төрт валиент электронын қарыжай кремний атомымен бөліседі, олардың арасында кооваленттік байланыс пайда болады. Сонымен, кремний кристалы тетраэдрлік решетка структурасын алады. Жарық нур кез келген материалға түседі, сонда жарықтың бір бөлігі қайта чапыстырылады, бір бөлігі материал арқылы өтеді, ал қалған бөлігі материал тағында қабылданады.
Сонымен бірге, жарық кремний кристалына түседі. Егер кіріс жарықтың интенсивтілігі жеткілікті болса, кристал қабылдай алады фотондарды, оларда соң қосымша электрондар кооваленттік байланысқа қосылады. Осы қозғалысқа қосылған электрондар кондукциялық зонаға өту үшін жеткілікті энергия алады. Кондукциялық зонада болғандықтан, олар кооваленттік байланыстан шығып, артық электрондың орнына қалдыратын бос орынды қалдырады. Бұл бос электрондар кремний кристалдың структурасында таңдалмаған қозғалыс істейді. Бұл бос электрондар мен бос орындар фотогальваникалық элементте электр энергиясын өндіруде маңызды рөл атқарады. Осылайша, олар сәйкесінше жарықтың қалыптасқан электрондары мен бос орындары деп аталады. Бұл жарықтың қалыптасқан электрондары мен бос орындары кремний кристалында өзінде электр энергиясын өндіре алмайды. Ол үшін қосымша механизм қажет.
Кремнийге фосфор сияқты бесвалентті дейінгі зат қосылғанда, әрбір бесвалентті фосфор атомының төрт валиент электроны төрт жарқын кремний атомымен кооваленттік байланыс арқылы бөліседі, ал бесінші валиент электрон кооваленттік байланысқа қосылу мүмкіндігі жоқ.
Бесінші электрон салыстырмалы тұрақты өзінің ана атомымен байланысады. Дерінде де, кристалдағы термодинамикалық энергия бұл салыстырмалы тұрақты бесінші электронды өзінің ана фосфор атомынан бөлісу үшін жеткілікті. Бесінші электрон ана фосфор атомынан бөліседі, олар иммобилді теріс зарядты иондар болып қалады. Бөлісіп кеткен электрон бос болып, бірақ кристалда қайта байланысқа қосылу үшін толтырылған кооваленттік байланыс немесе бос орын жоқ. Бұл бос электрондар семи-өндірістерде әрқашан ағынды қолдай алады. Бос электрондардың санына қарама-қарсы, материал электрден нейтралды болады, себебі кристалдың структурасында құлып кеткен теріс фосфор иондарының саны бос электрондардың санына тең. Семи-өндіріске дейінгі заттарды қосу процесі допинг деп аталады, ал допинг етілетін заттар допантар деп аталады. Бесвалентті допантар, өзінің бесінші бос электронын семи-өндіріске қосу арқылы, берушілер деп аталады. Беруші допантармен допинг етілетін семи-өндірістер n-типу немесе теріс типті семи-өндірістер деп аталады, себебі оларда теріс зарядты электрондар бар.
Егер бесвалентті фосфор атомдарының орнына бор сияқты үшвалентті дейінгі зат атомдары кристалдық решеткаға қосылса, кері типті семи-өндіріс қалыптасады. Бұл жағдайда, кристалдық решеткадағы біраз кремний атомдары бор атомдарымен ауыстырылады, басқа сөзбен айтқанда, бор атомдары кремний атомдарының орнында орналасады. Бор атомының үш валиент электроны үш жарқын кремний атомымен толық кооваленттік байланыс құрайды. Бұл құрылымда, әрбір бор атомына сәйкес кремний атомының төртінші валиент электроны өзінің төртінші кооваленттік байланысқа қосылу үшін жарқын валиент электрондары жоқ. Сондықтан, бұл кремний атомдарының төртінші валиент электрондары толық емес байланыс ретінде қалыптасады. Толық емес байланысда электрон қатысқанда, ол толық емес байланыс үшін электрон қажет.
Бұл бос орын концептуально оң бос орын деп аталады. Үшвалентті дейінгі заттармен допинг етілетін семи-өндірісде, көптеген кооваленттік байланыстар толық емес байланыстарды толтыру үшін жалғыз болады. Бір байланыс жарылғанда, онда бір бос орын пайда болады. Бір байланыс толтырылғанда, ондағы бос орын жоюлады. Сондықтан, бір бос орын жоюлғанда, басқа жарық бос орын пайда болады. Бұл құбылдақтардың кристалдағы қозғалысын түсіндіреді. Бұл құбылдақтар да кристалда бос электрондар сияқты өзін-өзі қозғалыс істейді. Арнайы үшвалентті допантар өзінің электрондарын қабылдай алады, олар қабылдайтын допантар деп аталады, ал олармен допинг етілетін семи-өндірістер p-типу немесе оң типті семи-өндірістер деп аталады.
n-типті семи-өндірісде негізінен бос электрондар теріс зарядты, p-типті семи-өндірісде негізінен бос орындар оң зарядты қалыптасады, сондықтан n-типті семи-өндірісде бос электрондар және p-типті семи-өндірісде бос орындар сәйкесінше n-типті және p-типті семи-өндірістерде негізгі заряд носытшылар деп аталады.
n-типті және p-типті материалдардың арасында әрқашан потенциалдық қанағаттылық бар. Бұл потенциалдық қанағаттылық фотогальваникалық немесе күн энергиясы элементтерінің жұмысы үшін маңызды. n-типті және p-типті семи-өндірістер бір-бірімен байланысқанда, n-типті семи-өндіріс бетінен жақын орналасқан бос электрондар p-типті материалдың жақын орналасқан бос орындарына өту үшін бір-бірімен байланысады. Не бос электрондар, не n-типті материалдың бетінен жақын орналасқан валиент электрондар кооваленттік байланыстан шығып, p-типті семи-өндіріс бетінде жақын орналасқан бос орындармен біріктейді. Кооваленттік байланыстар жарылғанда, n-типті материалдың бетінен жақын орналасқан жерде бірнеше бос орындар пайда болады. Сондықтан, байланыс аймагында p-типті материалдағы бос орындар біріктіру арқылы жоюлған, ал n-типті материалдағы бос орындар пайда болады. Бұл сияқты бос орындар p-типті материалдан n-типті материалға өтуіне ұқсас. Сондықтан, n-типті және p-типті семи-өндірістер бір-бірімен байланысқанда, n-типті семи-өндіріс бетінен электрондар p-типті семи-өндіріске өтеді, ал p-типті семи-өндіріс бетінен бос орындар n-типті семи-өндіріске өтеді. Бұл процесс өте тез болады, бірақ әрқашан жалғастырылмайды. Бірнеше моменттан кейін, p-типті семи-өндіріс бетінен жақын орналасқан жерде теріс заряд (артық электрондар) слойы, ал n-типті семи-өндіріс бетінен жақын орналасқан жерде оң заряд (оң иондар) слойы қалыптасады. Бұл слойлардың қалыптасуы белгілі бір шамада өтеді, бірақ содан кейін n-типті семи-өндіріс бетінен p-типті семи-өндіріске электрондар өтпейді. Себебі, n-типті семи-өндіріс бетінен p-типті семи-өндіріске өту үшін электрондар өте қалың оң иондар слойына тап болады, олар оң иондар слойынан артқа қалып, өтпейді. Сондай-ақ, p-типті семи-өндіріс бетінен n-типті семи-өндіріске бос орындар өтпейді. Бос орындар p-типті семи-өндіріс бетіндегі теріс слойынан өту үшін электрондармен біріктейді, олар n-типті бөлікке өтпейді.
Басқа сөзбен айтқанда, p-типті бөлікте теріс заряд слойы және n-типті бөлікте оң заряд слойы бір-бірінен бір-біріне заряд носытшылардың өтуді бас арады. Сондай-ақ, p-типті бөлікте бос орындар n-типті бөлікке өтпейді. Оң және теріс заряд слойларына байланысты аймақта электр тартылуы пайда болады, бұл аймақ деформациялық аймақ деп аталады.
Енді кремний кристалына қараңыз. Жарық нур кристалға түседі, сонда жарықтың бір бөлігі кристал қабылдайды, сондықтан қандайда бір валиент электрондар қозғалысқа қосылады және кооваленттік байланыстан шығып, бос электрон-бос орын пары қалыптасады.
Егер жарық n-типті семи-өндіріске түссе, онда жарықтың қалыптасқан электрон-бос орын парынан электрондар деформациялық аймақтың электр тартылуына байланысты p-регионға өтуі мүмкін емес. Ал жарықтың қалыптасқан бос орындар деформациялық аймақтың электр тартылуына байланысты өтеді, олар электрондармен біріктейді, олар p-региондағы валиент электрондармен өзара алмастырылады, олар p-регионда бос орындарды қалыптасады. Сондықтан, жарықтың қалыптасқан бос орындар p-регионға өтеді, бірақ олар n-типті регионға қайта өтпейді, себебі потенциалдық қанағаттылық бас арады.
Теріс заряд (жарықтың қалыптасқан электрондары) бір жағында, оң заряд (жарықтың қалыптасқан бос орындары) басқа жағында қалыптасқанда, элементтің екі жағында потенциалдық айырмашылық пайда болады. Бұл потенциалдық айырмашылық көбінесе 0,5 В. Бұл сияқты фотогальваникалық элементтер немесе күн энергиясы элементтері потенциалдық айырмашылық қалыптасады.
Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.
