Saules šūnas vai fotovoltaisko šūnu darbības princips
Gāja enerģijas pārveidošana elektriskajā enerģijā balstīta uz parādību, ko sauc par fotovoltaisko efektu. Kad poluprovadītājmaterialus izsaja gaismam, daļa gaisma staru fotonu tiek absorbēta poluprovadītāja kristālā, kas rada būtisku skaitu brīvām elektronām kristālā. Tas ir pamata iemesls, kāpēc fotovoltaiskā efekta dēļ tiek ražota elektroenerģija. Fotovoltaiskā lielumā ir sistēmas pamatelement, kur fotovoltaiskais efekts tiek izmantots, lai no gaisma enerģijas izveidotu elektroenerģiju. Ņūtrijs ir visplašāk izmantotais poluprovadītājamaterials fotovoltaisko lielumu konstruēšanai. Ņūtrija atoms ir četri valentie elektroni. Kristālā katrs ņūtrija atoms savus četros valentos elektronus dalās ar tuvāko ņūtrija atomu, veidojot kovalentus saikus starp tiem. Tādējādi ņūtrija kristāls iegūst tetraedrisku režu struktūru. Kad gaisma staris pieskaras jebkurai vielai, daļa gaisma tika atspoguļota, daļa pārnesama caur vielu, un pārējā daļa tiek absorbēta vielā.
Tā paša notiek, kad gaisma pieskaras ņūtrija kristālam. Ja noliedzamā gaisma intensitāte ir pietiekami augsta, kristālam tiek absorbēti pietiekami daudzi fotonu, un šie fotonu savukārt uzbruņo dažus kovalentu saiku elektronus. Šie uzbruņotie elektroni tad iegūst pietiekamu enerģiju, lai pārvietotos no valence zonas uz veduma zonu. Kad šo elektronu enerģijas līmenis ir veduma zonā, tie atstāj kovalentus saikus, atstājot spraugu katram noņemtam elektronam. Tie sauc par brīviem elektroniem, kas nejauši kustas ņūtrija kristāla struktūrā. Šie brīvie elektroni un spraugas spēlē būtisku lomu, radot elektroenerģiju fotovoltaiskā lielumā. Šos elektronus un spraugas tāpēc sauc par gaismā radītajiem elektroniem un spraugām. Šie gaismā radītie elektroni un spraugas vieni paši nevar radīt elektroenerģiju ņūtrija kristālā. Tam vajadzīgs ir kāds papildu mehānisms, lai to darītu.
Kad ņūtrijā pievieno pentavalentu impuritāti, piemēram, fosforu, katrs pentavalents fosfora atoms savus četros valentos elektronus dalās ar četriem blakus esošiem ņūtrija atomiem, bet piektais valenta elektorns nemodina iespēju izveidot kovalentu saiku.
Šis piektais elektorns tad relatīvi vāji saistīts ar savu mātes atomu. Pat istabas temperatūrā kristālā pieejamā termiskā enerģija ir pietiekama, lai atdalītu šos relatīvi vājos piektos elektronus no to fosfora maternālā atomā. Kad šis piektais relatīvi vājie elektorns tiek atdalīts no fosfora maternālā atomā, fosfora atoms kļūst par nekustīgu pozitīvu jonu. Ņujais atdalītais elektorns kļūst par brīvu, bet nemodina nekādu nepabeigtu kovalentu saiku vai spraugu kristālā, kurā varētu atkal apvienoties. Šie brīvie elektroni, kas nāk no pentavalentām impuritātēm, vienmēr ir gatavi vadīt strāvu poluprovadītājā. Lai arī ir daudz brīvo elektronu, tomēr viela elektriski paliek netrāla, jo pozitīvo fosfora jonu skaits, kas uzslogots kristāla struktūrā, ir precīzi vienāds ar brīvo elektronu skaitu, kas no tām iznāk. Impuritāšu ieviešanas procesu poluprovadītājā sauc par dozēšanu, un impuritātes, kas tiek dozētas, sauc par dopantiem. Pentavalenti dopanti, kas dod savu piekto brīvo elektronu poluprovadītāja kristālam, sauc par donoriem. Poluprovadītāji, kas dozēti ar donorimpuritātēm, pazīstami kā n-tipa vai negatīva tipa poluprovadītāji, jo tur ir daudz brīvo elektronu, kas sava dabas rakstura dēļ ir negatīvi uzlādēti.
Ja vietā pentavalenta fosfora atomiem poluprovadītājkristālam tiek pievienoti trivalenti impuritātes atomi, piemēram, boru, tiek izveidots pretējs tipa poluprovadītājs. Šajā gadījumā kristāla režā daži ņūtrija atomi tiks aizvietoti ar boru atomiem, citiem vārdiem sakot, boru atomi ieņems aizvietoto ņūtrija atomu pozīcijas reža struktūrā. Boru atoma trīs valentie elektroni savienos ar trim blakus esošo ņūtrija atoma valentajiem elektroniem, veidojot trīs pilnus kovalentus saikus. Šai konfigurācijai katram boru atomam būs ņūtrija atoms, kuru ceturtajam valentajam elektronam nebūs blakus esošu valentajiem elektroniem, lai pilnībā izveidotu savu ceturtā kovalentā saikni. Tāpēc šis ceturtā valenta elektorns ņūtrija atomos paliek nepārpairs un izturās kā nepabeigta saite. Tātad, nepabeigtā saitē būs trūkums vienam elektronam, un tāpēc nepabeigtā saite vienmēr piesaista elektronu, lai izpildītu šo trūkumu. Tātad, ir vakance, kur elektronam varētu sēdēt.
Šo vakanci konceptuāli sauc par pozitīvo spraugu. Trivalentes impuritātes dozētajā poluprovadītājā daudzas kovalentas saites tiek nepārtraukti salauztas, lai pilnībā izveidotu citas nepabeigtas kovalentas saites. Kad viena saite tiek salauzta, tajā rodas viena sprauga. Kad viena saite tiek pilnībā izveidota, sprauga tajā izmirš. Tādējādi viena sprauga šķiet, ka izmirš, bet citā blakus esošā sprauga rodas. Tādējādi spraugas ir relatīva kustība poluprovadītājkristālā. Šāda perspektīvā var teikt, ka spraugas arī var brīvi kustēties kā brīvie elektroni poluprovadītājkristālā. Kā katra sprauga var pieņemt elektronu, trivalentes impuritātes pazīstamas kā akseptor-dopanti, un poluprovadītāji, kas dozēti ar akseptordopantiem, pazīstami kā p-tipa vai pozitīva tipa poluprovadītāji.
N-tipa poluprovadītājā galvenokārt brīvie elektroni nes negatīvu uzlādi, bet p-tipa poluprovadītājā galvenokārt spraugas nes pozitīvu uzlādi, tāpēc brīvie elektroni n-tipa poluprovadītājā un brīvie spraugas p-tipa poluprovadītājā tiek saukti par majoritāres nosūtnējiem n-tipa un p-tipa poluprovadītājos attiecīgi.
Starp n-tipa un p-tipa materiālu vienmēr ir potenciālā barjera. Šī potenciālā barjera ir būtiska fotovoltaiskā vai saules elementā. Kad n-tipa poluprovadītājs un p-tipa poluprovadītājs saskaras, brīvie elektroni tuvāk n-tipa poluprovadītāja kontaktēšanas virsmai iegūst daudz blakus esošu spraugu p-tipa materiālā. Tāpēc brīvie elektroni n-tipa poluprovadītājā tuvāk tā kontaktēšanas virsmai pāriet uz blakus esošām spraugām p-tipa materiālā, lai rekombinētos. Ne tikai brīvie elektroni, bet arī n-tipa materiāla valentes elektroni tuvāk kontaktēšanas virsmai iznāk no kovalentā saikuma un rekombinējas ar tuvākiem spraugām p-tipa poluprovadītājā. Kad kovalentās saites tiek salauztas, kristālā rodas daudz spraugu n-tipa materiālā tuvāk kontaktēšanas virsmai. Tāpēc tuvāk kontaktēšanas zonā spraugas p-tipa materiālā izmirš, rekombinējot, bet otrādi, spraugas rodas n-tipa materiālā tuvāk tam kontaktēšanas zonā. Tas ir tāds pats, kā spraugu migrācija no p-tipa uz n-tipa poluprovadītāju. Tātad, tiklīdz viens n-tipa poluprovadītājs un viens p-tipa poluprovadītājs saskaras, elektroni no n-tipa pāriet uz p-tipa, un spraugas no p-tipa pāriet uz n-tipa. Process ir ļoti ātrs, bet neatkārtojas bezgalīgi. Pēc dažām mirkļiem n-tipa poluprovadītāja tuvāk kontaktēšanas virsmai p-tipa poluprovadītājā būs slānis ar negatīvu uzlādi (pieauguši elektroni). Līdzīgi n-tipa poluprovadītāja tuvāk kontaktēšanas virsmai būs slānis ar pozitīvu uzlādi (pozitīvie jonu). Negatīvā un pozitīvā uzlādes slāņa biezums palielinās līdz noteiktam punktam, bet pēc tam vairs neviens elektorns nepadīsies no n-tipa poluprovadītāja uz p-tipa poluprovadītāju. Tāpēc, kad n-tipa poluprovadītāja elektorns mēģina pāriet pāri p-tipa poluprovadītājam, tas saskarsies ar pietiekami biezu pozitīvo jonu slāni n-tipa poluprovadītājā, kur tas nokritīs, nesapārnesot to. Līdzīgi spraugas vairs nepadīsies no p-tipa poluprovadītāja uz n-tipa. Spraugas, mēģinot pārnest negatīvo slāni p-tipa poluprovadītājā, rekombinēs ar elektronu, un vairs nav kustības uz n-tipa reģionu.
Citiem vārdiem sakot, negatīvā uzlādes slānis p-tipa pusē un pozitīvā uzlādes slānis n-tipa pusē kopā veido barjeru, kas pretojas uzlādes nosūtnēju migrācijai no vienas puses uz otru. Līdzīgi p-tipa reģiona spraugas tiek apturētas, lai ienāktu n-tipa reģionā. Pozitīvā un negatīvā uzlādes dēļ būs elektriskā lauka šajā reģionā, un šis reģions sauc par iznīcināšanas slāni.
Tagad pāriesim pie ņūtrija kristāla. Kad gaisma staris pieskaras kristālam, daļa gaisma tiek absorbēta kristālā, un tādējādi daži valentes elektroni tiek uzbruņoti un iznāk no kovalentā saikuma, rezultējot brīvajām elektronu-spraugu pāriem.
Ja gaisma pieskaras n-tipa poluprovadītājam, elektromagnētiskie gaisma radītie elektroni no šāda gaisma radītā elektronu-spraugu pāriem nevar pārvietoties uz p-reģionu, jo viņi nevar pārnest potenciālo barjeru, tāpēc, ka iznīcināšanas slāņa elektriskā lauka atstumšana. Tomēr vienlaicīgi gaisma radītās spraugas pārnes iznīcināšanas slāni, tāpēc, ka iznīcināšanas slāņa elektriskā lauka pievilcinājums, kur tie rekombinē ar elektronu, un pēc tam trūkums elektronu šeit kompensējas ar p-reģiona valentes elektronu, un tas radīs tikpat daudz spraugu p-reģionā. Tātad, gaisma radītās spraugas tiek pārvietotas uz p-reģionu, kur tās tiek noturētas, jo, tiklīdz tās nonāk p-reģionā, tās nevar atgriezties n-tipa reģionā, tāpēc, ka potenciālās barjeras atstumšana.
Kā negatīvā uzlāde (gaisma radītie elektroni) tiek noturēta vienā pusē, un pozitīvā uzlāde (gaisma radītās spraugas) tiek noturēta pretējā pusē elementā, starp šīm divām elementa pusēm būs potenciālā atšķirība. Šī potenciālā atšķirība parasti ir 0,5 V. Tāpēc fotovoltaiskie elementi vai saules elementi ražo potenciālā atšķirību.
Paziņojums: Cienīt originālo, labas raksti vērts koplietot, ja ir tiesību pārkāpums, lūdzu, sazinieties, lai dzēstu.
