Prinsip Kerja Sel Solar atau Sel Fotovoltaik

Penukaran tenaga cahaya kepada tenaga elektrik berdasarkan fenomena yang dipanggil kesan fotovoltaik. Apabila bahan semikonduktor terdedah kepada cahaya, sebahagian foton sinar cahaya diserap oleh kristal semikonduktor yang menyebabkan bilangan elektron bebas yang signifikan dalam kristal. Ini adalah sebab asas penghasilan elektrik disebabkan kesan fotovoltaik. Sel fotovoltaik adalah unit asas sistem di mana kesan fotovoltaik digunakan untuk menghasilkan elektrik dari tenaga cahaya. Silikon adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan untuk membina sel fotovoltaik. Atom silikon mempunyai empat elektron valens. Dalam kristal pepejal, setiap atom silikon berkongsi setiap empat elektron valensnya dengan atom silikon terdekat lain, menjadikan ikatan kovalen antara mereka. Dengan cara ini, kristal silikon mendapat struktur rangka tetrahedral. Semasa sinar cahaya jatuh pada bahan apa pun, sebahagian cahaya dipantulkan, sebahagian diteruskan melalui bahan tersebut, dan selebihnya diserap oleh bahan tersebut.

Hal yang sama berlaku apabila cahaya jatuh pada kristal silikon. Jika intensiti cahaya insiden cukup tinggi, bilangan foton yang mencukupi diserap oleh kristal dan foton-foton ini, gilirannya, mengerahkan beberapa elektron dari ikatan kovalen. Elektron-elektron yang mengerakan ini kemudian mendapat tenaga yang cukup untuk berpindah dari band valens ke band konduksi. Oleh kerana tahap tenaga elektron ini berada dalam band konduksi, mereka meninggalkan ikatan kovalen, meninggalkan lubang di belakang setiap elektron yang dihapuskan. Elektron-elektron bebas ini bergerak secara rawak di dalam struktur kristal silikon. Elektron-elektron bebas dan lubang-lubang ini memainkan peranan penting dalam menghasilkan elektrik dalam sel fotovoltaik. Elektron-elektron dan lubang-lubang ini dipanggil elektron dan lubang yang dihasilkan cahaya masing-masing. Elektron-elektron dan lubang-lubang yang dihasilkan cahaya ini tidak dapat menghasilkan elektrik dalam kristal silikon sendiri. Ada mekanisme tambahan yang diperlukan untuk melakukan itu.

Apabila impurities pentavalen seperti fosfor ditambah kepada silikon, empat elektron valens setiap atom fosfor pentavalen dikongsi melalui ikatan kovalen dengan empat atom silikon jiran, dan elektron valens kelima tidak mendapat peluang untuk mencipta ikatan kovalen.

Elektron kelima ini kemudian diikat secara relatif longgar dengan atom induknya. Walaupun pada suhu bilik, tenaga termal yang ada dalam kristal cukup besar untuk memisahkan elektron kelima yang relatif longgar ini dari atom fosfor induknya. Semasa elektron kelima yang relatif longgar ini dipisahkan dari atom fosfor induk, atom fosfor menjadi ion positif yang tidak bergerak. Elektron yang dipisahkan ini menjadi bebas tetapi tidak mempunyai ikatan kovalen atau lubang yang tidak lengkap dalam kristal untuk disambung semula. Elektron-elektron bebas ini yang datang dari impurities pentavalen sentiasa sedia untuk mengalir arus dalam semikonduktor. Walaupun terdapat bilangan elektron bebas, zat tersebut masih neutral secara elektrik kerana bilangan ion fosfor positif yang terkunci dalam struktur kristal tepat sama dengan bilangan elektron bebas yang keluar daripadanya. Proses memasukkan impurities ke dalam semikonduktor dikenali sebagai doping, dan impurities yang didop dikenali sebagai dopants. Dopants pentavalen yang memberikan elektron bebas kelima mereka kepada kristal semikonduktor dikenali sebagai donor. Semikonduktor yang didop dengan dopants donor dikenali sebagai semikonduktor jenis n atau jenis negatif kerana terdapat banyak elektron bebas yang bercas negatif secara semula jadi.

Apabila atom fosfor pentavalen digantikan dengan atom impurities trivalen seperti boron, jenis semikonduktor yang bertentangan akan dicipta. Dalam kes ini, beberapa atom silikon dalam rangka kristal akan digantikan oleh atom boron, dengan kata lain, atom boron akan mengisi tempat atom silikon yang digantikan dalam struktur rangka. Tiga elektron valens atom boron akan berpasangan dengan elektron valens tiga atom silikon jiran untuk mencipta tiga ikatan kovalen yang lengkap. Untuk konfigurasi ini, akan ada satu atom silikon untuk setiap atom boron, elektron valens keempat yang mana tidak menemui elektron valens jiran untuk melengkapkan ikatan kovalen keempatnya. Oleh itu, elektron valens keempat atom-atom silikon ini kekal tidak berpasangan dan bertindak sebagai ikatan yang tidak lengkap. Jadi, akan ada kekurangan satu elektron dalam ikatan yang tidak lengkap, dan ikatan yang tidak lengkap sentiasa menarik elektron untuk memenuhi kekurangan ini. Oleh itu, terdapat kekosongan untuk elektron duduk.

Kekosongan ini secara konseptual dipanggil lubang positif. Dalam semikonduktor yang didop dengan impurities trivalen, bilangan ikatan kovalen yang berterusan pecah untuk melengkapkan ikatan kovalen yang tidak lengkap. Apabila satu ikatan pecah, satu lubang dicipta di dalamnya. Apabila satu ikatan dilengkapkan, lubang di dalamnya hilang. Dengan cara ini, satu lubang nampak hilang dan lubang jiran lain muncul. Oleh itu, lubang-lubang mempunyai gerakan relatif di dalam kristal semikonduktor. Dari sudut pandangan itu, boleh dikatakan lubang juga boleh bergerak bebas seperti elektron bebas di dalam kristal semikonduktor. Kerana setiap lubang boleh menerima satu elektron, impurities trivalen dikenali sebagai dopants penerima dan semikonduktor yang didop dengan dopants penerima dikenali sebagai semikonduktor jenis p atau jenis positif.

Dalam semikonduktor jenis n, elektron bebas utamanya membawa cas negatif, dan dalam semikonduktor jenis p, lubang-lubang utamanya membawa cas positif, oleh itu elektron bebas dalam semikonduktor jenis n dan lubang-lubang bebas dalam semikonduktor jenis p dipanggil pembawa majoriti dalam semikonduktor jenis n dan jenis p masing-masing.

Sentiasa terdapat rintangan potensial antara bahan jenis n dan jenis p. Rintangan potensial ini penting untuk kerja sel fotovoltaik atau sel solar. Apabila semikonduktor jenis n dan jenis p bersentuhan, elektron bebas dekat permukaan sentuhan semikonduktor jenis n mendapat banyak lubang jiran bahan jenis p. Oleh itu, elektron bebas dalam semikonduktor jenis n dekat permukaan sentuhannya melompat ke lubang jiran bahan jenis p untuk recombine. Bukan sahaja elektron bebas, tetapi elektron valens bahan jenis n dekat permukaan sentuhan juga keluar dari ikatan kovalen dan recombine dengan lubang lebih dekat di dalam semikonduktor jenis p. Sebagai ikatan kovalen pecah, akan ada bilangan lubang yang dicipta dalam bahan jenis n dekat permukaan sentuhan. Oleh itu, dekat zon sentuhan, lubang-lubang dalam bahan jenis p hilang disebabkan recombine, manakala lubang muncul dalam bahan jenis n dekat zon sentuhan yang sama. Ini setara dengan migrasi lubang dari bahan jenis p ke bahan jenis n. Jadi, segera satu semikonduktor jenis n dan satu semikonduktor jenis p bersentuhan, elektron dari jenis n akan berpindah ke jenis p dan lubang dari jenis p akan berpindah ke jenis n. Proses ini sangat cepat tetapi tidak berterusan selama-lamanya. Selepas beberapa saat, akan ada lapisan cas negatif (elektron berlebihan) dalam semikonduktor jenis p berhampiran permukaan sentuhan. Begitu juga, akan ada lapisan cas positif (ion positif) dalam semikonduktor jenis n berhampiran permukaan sentuhan. Ketebalan lapisan cas negatif dan positif ini meningkat hingga batas tertentu, tetapi selepas itu, tiada lagi elektron yang akan berpindah dari semikonduktor jenis n ke jenis p. Ini kerana, apabila elektron mana pun dari semikonduktor jenis n cuba berpindah ke semikonduktor jenis p, ia menghadapi lapisan ion positif yang cukup tebal dalam semikonduktor jenis n sendiri di mana ia akan jatuh tanpa melaluinya. Begitu juga, lubang tidak akan lagi berpindah ke semikonduktor jenis n dari jenis p. Lubang apabila cuba melalui lapisan negatif di dalam semikonduktor jenis p, mereka akan recombine dengan elektron dan tidak ada lagi pergerakan ke arah zon jenis n.

Dengan kata lain, lapisan cas negatif di sisi jenis p dan lapisan cas positif di sisi jenis n bersama-sama membentuk rintangan yang menentang migrasi pembawa cas dari satu sisi ke sisi lain. Begitu juga, lubang di kawasan jenis p dipegang balik daripada memasuki kawasan jenis n. Akibat lapisan cas positif dan negatif, akan ada medan elektrik merentasi kawasan tersebut dan kawasan ini dipanggil lapisan penghabisan.

Sekarang mari kita lihat kristal silikon. Apabila sinar cahaya jatuh pada kristal, sebahagian cahaya diserap oleh kristal, dan akibatnya, beberapa elektron valens mengerakan dan keluar dari ikatan kovalen, menghasilkan pasangan elektron-lubang bebas.

Jika cahaya jatuh pada semikonduktor jenis n, elektron dari pasangan elektron-lubang yang dihasilkan cahaya tidak dapat berpindah ke kawasan jenis p kerana mereka tidak dapat melalui rintangan potensial disebabkan tolakan medan elektrik merentasi lapisan penghabisan. Pada masa yang sama, lubang yang dihasilkan cahaya melalui lapisan penghabisan disebabkan tarikan medan elektrik lapisan penghabisan di mana mereka recombine dengan elektron, dan kekurangan elektron di sini dibuat kembali oleh elektron valens kawasan jenis p, dan ini membuat sebanyak jumlah lubang di kawasan jenis p. Oleh itu, lubang yang dihasilkan cahaya berpindah ke kawasan jenis p di mana mereka terperangkap kerana setelah mereka datang ke kawasan jenis p, mereka tidak dapat kembali ke kawasan jenis n disebabkan tolakan rintangan potensial.

Oleh kerana cas negatif (elektron yang dihasilkan cahaya) terperangkap di satu sisi dan cas positif (lubang yang dihasilkan cahaya) terperangkap di sisi yang bertentangan, akan ada beza potensial antara kedua-dua sisi sel tersebut. Beza potensial ini biasanya 0.5 V. Inilah cara sel fotovoltaik atau sel solar menghasilkan beza potensial.

Pernyataan: Hormati asal, artikel yang baik layak dikongsi, jika terdapat pelanggaran sila hubungi untuk dihapus.