Принцип на работа на солнечна клетка или фотovoltaička клетка
Превртувањето на светлосната енергија во електрична енергија се базира на феномен наречен фотолектички ефект. Кога полупроводни материјали се изложени на светлина, некои од фотоните од светлинскиот зрачок се апсорбирани од полупроводничкиот кристал, што причинува значителен број слободни електрони во кристалот. Ова е основниот повод за производство на електричество поради фотолектичкиот ефект. Фотолектичка клетка е основната единица на системот каде што се користи фотолектичкиот ефект за производство на електричество од светлосната енергија. Силициум е најшироко користен полупроводник материјал за конструирање на фотолектичката клетка. Атомот на силициум има четири валентни електрона. Во тврд кристал, секој атом на силициум споделува секој од своите четири валентни електрона со друг најблиски атом на силициум, што создава коовалентни врски помеѓу нив. На овој начин, силициумскиот кристал добива тетраедарска решетка структура. Додека светлинскиот зрачок падне на било кој материјал, дел од светлината се рефлектира, дел преминува низ материјалот, а остатокот се апсорбира од материјалот.
Истиот процес се случува и кога светлината падне на силициумски кристал. Ако интензитетот на паднувајќата светлина е доволно висок, доситнашниот број на фотони се апсорбирани од кристалот, и овие фотони, во свој ред, ја возбудуваат некои од електроните на коовалентните врски. Овие возбудени електрони потоа добиваат доволно енергија да мигрираат од валентна зона до проводна зона. Бидејќи енергийната нивоа на овие електрони е во проводната зона, тие се отстрануваат од коовалентната врска, оставајќи празнина во врската зад секој уклоњен електрон. Овие се нарекуваат слободни електрони кои се движеат насумично внатрешно во кристалната структура на силициум. Овие слободни електрони и празнини играат важна улога во создавањето на електричество во фотолектичка клетка. Овие електрони и празнини се нарекуваат возбудени електрони и празнини од светлина соодветно. Овие возбудени електрони и празнини не можат сами да произведат електричество во силициумскиот кристал. Треба да постои некој дополнителен механизам за тоа.
Кога се додава петвалентен замес како фосфор во силициум, четирите валентни електрона на секој петвалентен атом на фосфор се споделуваат преку коовалентни врски со четири соседни атоми на силициум, а петтиот валентен електрон не добива можност да создаде коовалентна врска.
Овој петти електрон потоа е релативно лешко поврзан со својот родителски атом. Дури и при собна температура, термалната енергија достапна во кристалот е доволно голема да раздели овие релативно лешки петти електрони од нивниот родителски атом на фосфор. Додека овој петти релативно лешки електрон се раздели од родителскиот атом на фосфор, атомот на фосфор станува неподвижен положителен ион. Наведениот разделен електрон станува слободен, но нема никаква непополнета коовалентна врска или празнина во кристалот за повторно поврзување. Овие слободни електрони доаѓаат од петвалентни замеси и се секогаш готови да протечат стрuja во полупроводника. Иако има многу слободни електрони, субстанцата е електрично неутрална бидејќи бројот на положителни иони на фосфор заклучени во кристалната структура е точно еднаков на бројот на слободните електрони што доаѓаат од нив. Процесот на додавање замеси во полупроводникот е познат како допирање, а замесите кои се додаваат се нарекуваат допанти. Петвалентните допанти кои донираат својот петти слободен електрон на полупроводничкиот кристал се нарекуваат донори. Полупроводниците додени со донорски замеси се нарекуваат n-тип или негативен тип полупроводник бидејќи има многу слободни електрони кои по природа се негативно наелектрисани.
Кога наместо петвалентни атоми на фосфор, се додаваат тривалентни замеси како бор во полупроводничкиот кристал, се создава противоположен тип полупроводник. Во овој случај, некои атоми на силициум во решетката на кристалот ќе бидат заменети со атоми на бор, или, по друг начин, атомите на бор ќе заемат позициите на заменетите атоми на силициум во решетката. Три валентни електрона на атомот на бор ќе се паразируваат со валентни електрони на три соседни атоми на силициум за да создадат три пополнети коовалентни врски. За оваа конфигурација, за секој атом на бор ќе има атом на силициум, чиј четврти валентен електрон нема да го најде соседниот валентен електрон за да пополни својата четврта коовалентна врска. Затоа, овој четврти валентен електрон на овие атоми на силициум останува непара и се однесува како непополнета врска. Така, ќе има недостаток на еден електрон во непополнетата врска, и затоа непополнетата врска винаги привлекува електрони за да го пополнат овој недостаток. Како така, постои празнина за електрон да седне.
Оваа празнина концептуално се нарекува позитивна празнина. Во полупроводник доден со тривалентен замес, значителен број на коовалентни врски се непрекинато сокрушени за да се пополнат други непополнети коовалентни врски. Кога една врска се сокруши, една празнина се создава во неа. Кога една врска е пополнета, празнината во неа исчезнува. На овој начин, една празнина се појавува да исчезне друга соседна празнина. Како така, празнините имаат релативно движење внатрешно во полупроводничкиот кристал. Од оваа перспектива, може да се каже дека празнините исто така можат да се движеат слободно како слободни електрони во полупроводничкиот кристал. Бидејќи секоја празнина може да прифати електрон, тривалентните замеси се нарекуваат акцепторски допанти, а полупроводниците додени со акцепторски допанти се нарекуваат p-тип или позитивен тип полупроводник.
Во n-тип полупроводник главно слободните електрони носат негативен пол, а во p-тип полупроводник главно празнините носат позитивен пол, затоа слободните електрони во n-тип полупроводник и слободните празнини во p-тип полупроводник се нарекуваат главни носачи на пол во n-тип полупроводник и p-тип полупроводник соодветно.
Постои веднаш потенцијална преграда помеѓу n-тип и p-тип материјал. Оваа потенцијална преграда е есенцијална за работата на фотолектичка или сончева клетка. Кога n-тип полупроводник и p-тип полупроводник се контактираат, слободните електрони блиску до контактната површина на n-тип полупроводник добиваат многу соседни празнини од p-тип материјал. Затоа, слободните електрони во n-тип полупроводник блиску до контактната површина скокнуваат во соседните празнини на p-тип материјал за да се рекомбинираат. Не само слободните електрони, туку и валентните електрони на n-тип материјал блиску до контактната површина се изважуваат од коовалентната врска и се рекомбинираат со подоблиски празнини во p-тип полупроводник. Бидејќи коовалентните врски се сокрушени, ќе има број на празнини создадени во n-тип материјал блиску до контактната површина. Затоа, блиску до контактната зона, празнините во p-тип материјал исчезнуваат поради рекомбинација, додека празнините се појавуваат во n-тип материјал блиску до истата контактна зона. Ова е еквивалентно на миграција на празнини од p-тип кон n-тип полупроводник. Така, колку што еден n-тип полупроводник и еден p-тип полупроводник доаѓаат во контакт, електроните од n-тип ќе се пренесуваат кон p-тип, а празнините од p-тип ќе се пренесуваат кон n-тип. Процесот е многу брз, но не продолжува завреме. По неколку моменти, ќе има слој на негативен пол (превишок електрони) во p-тип полупроводник блиску до контактната површина. Слично, ќе има слој на позитивен пол (позитивни иони) во n-тип полупроводник блиску до контактната површина. Дефинитивната дефиниција на овие негативни и позитивни слоеви се зголемува до одредена степен, но после тоа, повеќе електрони нема да мигрираат од n-тип полупроводник кон p-тип полупроводник. Ова е затоа што, кога било кој електрон од n-тип полупроводник се обиде да мигрира преку p-тип полупроводник, тој се соочува со доволно дебел слој на позитивни иони во n-тип полупроводник, каде што ќе падне без да го прекине. Слично, празнините нема повеќе да мигрираат кон n-тип полупроводник од p-тип. Кога празнините се обидат да преминат низ негативниот слој во p-тип полупроводник, тие се рекомбинираат со електрони, и нема повеќе движење кон n-тип регион.
Друго, негативниот слој во p-тип страна и позитивниот слој во n-тип страна заедно формираат преграда која противодействува на миграцијата на носачите на пол од едната страна на другата. Слично, празнините во p-тип регион се задржуваат од да влезат во n-тип регион. Бидејќи на позитивни и негативни наелектрисани слоеви, ќе има електрично поле надвор од регионот, и овој регион се нарекува дефицитен слој.
Сега да дојдеме до силициумскиот кристал. Кога светлинскиот зрачок падне на кристалот, дел од светлината се апсорбира од кристалот, и како последица, некои од валентните електрони се возбудуваат и излегуваат од коовалентната врска, резултирајќи со слободни парови електрон-празнина.
Ако светлината падне на n-тип полупроводник, електроните од такови светлински генериран парови електрон-празнина не можат да мигрираат во p-региона бидејќи не можат да преминат потенцијалната преграда поради одбидањето на електричното поле надвор од дефицитниот слој. Исто така, светлински генерираните празнини преминуваат дефицитниот регион поради привлечувањето на електричното поле на дефицитниот слој, каде што се рекомбинираат со електрони, и тогаш недостатокот на електрони тука се компенсира со валентните електрони на p-региона, и ова прави многу празнини во p-региона. Како така, светлински генерирани празнини се преместуваат во p-региона, каде што се захватаат бидејќи, кога доаѓаат во p-региона, не можат да се вратат во n-тип регион поради одбидањето на потенцијалната преграда.
Бидејќи негативниот пол (светлински генериран електрон) е захвтан на една страна, а позитивниот пол (светлински генерирана празнина) е захвтан на спротивната страна на клетката, ќе има потенцијална разлика помеѓу овие две страни на клетката. Оваа потенцијална разлика типички е 0.5 V. Така, ова е начинот на кој фотолектички клетки или сончеви клетки произведуваат потенцијална разлика.
Заявление: Поштетувајте оригиналот, добри чланици се вредни за споделување, ако постои нарушување на авторските права се контактирајте за избришување.
