Werkprincipe van zonnecel of fotovoltaïsche cel
De conversie van lichtenergie in elektrische energie is gebaseerd op een fenomeen dat de fotovoltaïsche effect genoemd wordt. Wanneer halfgeleidermaterialen blootgesteld worden aan licht, absorberen sommige fotonen van het lichtstraal het halfgeleiderkristal, wat leidt tot een aanzienlijk aantal vrije elektronen in het kristal. Dit is de basis voor het produceren van elektriciteit door de fotovoltaïsche effect. Een fotovoltaïsche cel is de basiseenheid van het systeem waarbij de fotovoltaïsche effect wordt gebruikt om elektriciteit te produceren uit lichtenergie. Silicium is het meest gebruikte halfgeleidermateriaal voor het bouwen van de fotovoltaïsche cel. Het siliciumatoom heeft vier valentie-elektronen. In een vast kristal deelt elk siliciumatoom elk van zijn vier valentie-elektronen met een ander nabijgelegen siliciumatoom, waardoor covalente bindingen tussen hen ontstaan. Op deze manier krijgt het siliciumkristal een tetraëderstructuur. Wanneer een lichtstraal op materialen valt, wordt een deel van het licht gereflecteerd, een deel gaat door de materialen heen en de rest wordt door de materialen geabsorbeerd.
Hetzelfde gebeurt wanneer licht op een siliciumkristal valt. Als de intensiteit van het incidentele licht voldoende hoog is, worden voldoende fotonen door het kristal geabsorbeerd en exciteren deze fotonen op hun beurt enkele elektronen van de covalente bindingen. Deze opgewonden elektronen krijgen dan voldoende energie om van de valentieband naar de geleidingsband te migreren. Aangezien het energieniveau van deze elektronen zich in de geleidingsband bevindt, verlaten ze de covalente binding en laten een gat achter bij elk verwijderd elektron. Deze vrije elektronen bewegen willekeurig binnen de kristalstructuur van het silicium. Deze vrije elektronen en gaten spelen een cruciale rol bij het creëren van elektriciteit in een fotovoltaïsche cel. Deze elektronen en gaten worden daarom respectievelijk lichtgegenereerde elektronen en gaten genoemd. Deze lichtgegenereerde elektronen en gaten kunnen niet alleen elektriciteit produceren in het siliciumkristal. Er moet een extra mechanisme zijn om dit te doen.
Wanneer een pentavalente impuriteit zoals fosfor aan silicium wordt toegevoegd, worden de vier valentie-elektronen van elk pentavalent fosforatoom via covalente bindingen gedeeld met vier nabijgelegen siliciumatomen, en het vijfde valentie-elektron krijgt geen kans om een covalente binding te vormen.
Dit vijfde elektron is dan relatief los verbonden met zijn moederaatoom. Zelfs bij kamertemperatuur is de thermische energie in het kristal groot genoeg om deze relatief losse vijfde elektronen van hun moederfosforatoom te scheiden. Terwijl dit vijfde relatief losse elektron van het moederfosforatoom wordt gescheiden, vormen de fosforatomen onbeweeglijke positieve ionen. Het gedissocieerde elektron wordt vrij, maar heeft geen incomplete covalente binding of gat in het kristal om zich mee te herverbinden. Deze vrije elektronen die afkomstig zijn van pentavalente impuriteiten zijn altijd klaar om stroom te geleiden in de halfgeleider. Hoewel er veel vrije elektronen zijn, blijft het materiaal elektrisch neutraal omdat het aantal positieve fosforionen dat vastzit in de kristalstructuur precies gelijk is aan het aantal vrije elektronen dat eruit komt. Het proces van het invoeren van impuriteiten in de halfgeleider wordt doping genoemd, en de ingebrachte impuriteiten worden dopanten genoemd. De pentavalente dopanten die hun vijfde vrije elektron aan het halfgeleiderkristal schenken, worden donoren genoemd. Halfgeleiders die gedopeerd zijn met donorimpuriteiten worden n-type of negatieve type halfgeleiders genoemd, omdat er veel vrije elektronen zijn die negatief geladen zijn.
Wanneer in plaats van pentavalente fosforatomen trivalente impuriteiten zoals boor aan een halfgeleiderkristal worden toegevoegd, wordt een tegengesteld type halfgeleider gecreëerd. In dit geval zullen sommige siliciumatomen in het kristalrooster worden vervangen door booratomen, oftewel de booratomen zullen de posities innemen van de vervangen siliciumatomen in de roosterstructuur. Drie valentie-elektronen van het booraatoom zullen paren met de valentie-elektronen van drie nabijgelegen siliciumatomen om drie complete covalente bindingen te vormen. Voor deze configuratie zal er voor elk booraatoom een siliciumatoom zijn, waarvan het vierde valentie-elektron geen nabijgelegen valentie-elektronen zal vinden om zijn vierde covalente binding te voltooien. Daarom blijft het vierde valentie-elektron van deze siliciumatomen ongepaard en gedraagt zich als een incomplete binding. Er ontbreekt dus één elektron in de incomplete binding, en een incomplete binding trekt altijd een elektron aan om deze tekortkoming te compenseren. Zo is er een vacature voor een elektron om in te zitten.
Dit vacuüm wordt conceptueel een positief gat genoemd. In een trivalente impuriteit gedopeerde halfgeleider worden continu veel covalente bindingen verbroken om andere incomplete covalente bindingen te voltooien. Wanneer één binding wordt verbroken, wordt er één gat in gecreëerd. Wanneer één binding wordt voltooid, verdwijnt het gat daarin. Op deze manier lijkt één gat te verdwijnen en verschijnt een ander buur-gat. Hierdoor hebben gaten een relatieve beweging binnen het halfgeleiderkristal. In dat opzicht kan gezegd worden dat gaten ook vrij kunnen bewegen als vrije elektronen binnen het halfgeleiderkristal. Aangezien elk gat een elektron kan accepteren, worden trivalente impuriteiten acceptordopanten genoemd en de halfgeleiders die gedopeerd zijn met acceptordopanten worden p-type of positieve type halfgeleiders genoemd.
In n-type halfgeleiders dragen voornamelijk de vrije elektronen een negatieve lading en in p-type halfgeleiders dragen voornamelijk de gaten een positieve lading. Daarom worden de vrije elektronen in n-type halfgeleiders en de vrije gaten in p-type halfgeleiders respectievelijk meerderheidsdragers in n-type halfgeleiders en p-type halfgeleiders genoemd.
Er is altijd een potentieelbarrière tussen n-type en p-type materiaal. Deze potentieelbarrière is essentieel voor het functioneren van een fotovoltaïsche of zonnecel. Wanneer n-type halfgeleider en p-type halfgeleider contact maken, krijgen de vrije elektronen bij de contactoppervlakte van de n-type halfgeleider veel nabijgelegen gaten van het p-type materiaal. Daarom springen de vrije elektronen in de n-type halfgeleider bij de contactoppervlakte over naar de nabijgelegen gaten van het p-type materiaal om te recombineren. Niet alleen de vrije elektronen, maar ook de valentie-elektronen van het n-type materiaal bij de contactoppervlakte komen uit de covalente binding en recombineren met nabijgelegen gaten in het p-type halfgeleider. Aangezien de covalente bindingen worden verbroken, ontstaat er een aantal gaten in het n-type materiaal bij de contactoppervlakte. Dus bij de contactzone verdwijnen de gaten in het p-type materiaal door recombinatie, terwijl gaten verschijnen in het n-type materiaal bij dezelfde contactzone. Dit is equivalent aan de migratie van gaten van p-type naar n-type halfgeleider. Zodra een n-type halfgeleider en een p-type halfgeleider contact maken, zullen de elektronen van n-type overgaan naar p-type en de gaten van p-type overgaan naar n-type. Het proces is erg snel, maar gaat niet eeuwig door. Na enkele ogenblikken zal er een laag negatieve lading (overmatige elektronen) in de p-type halfgeleider naast het contact langs het contactoppervlak zijn. Op dezelfde manier zal er een laag positieve lading (positieve ionen) in de n-type halfgeleider naast het contact langs het contactoppervlak zijn. De dikte van deze lagen negatieve en positieve lading neemt tot een bepaald niveau toe, maar daarna zullen er geen elektronen meer van n-type halfgeleider naar p-type halfgeleider migreren. Dit komt omdat, wanneer een elektron van n-type halfgeleider probeert over te stappen naar p-type halfgeleider, het een voldoende dikke laag positieve ionen in de n-type halfgeleider zelf tegenkomt, waarin het zal vallen zonder het te passeren. Op dezelfde manier zullen gaten niet meer naar n-type halfgeleider migreren van p-type. Wanneer gaten proberen de negatieve laag in p-type halfgeleider te passeren, recombineren ze met elektronen en bewegen ze zich niet meer richting de n-type regio.
Met andere woorden, de negatieve ladinglaag aan de p-kant en de positieve ladinglaag aan de n-kant vormen samen een barrière die de migratie van ladingsdragers van de ene kant naar de andere tegenwerkt. Op dezelfde manier worden de gaten in de p-regio tegengehouden om de n-regio binnen te gaan. Door de positieve en negatieve geladen lagen zal er een elektrisch veld over de regio zijn, en deze regio wordt de afgeleide laag genoemd.
Laten we nu kijken naar het siliciumkristal. Wanneer een lichtstraal op het kristal valt, wordt een deel van het licht door het kristal geabsorbeerd, en als gevolg daarvan worden enkele van de valentie-elektronen opgewonden en komen ze uit de covalente binding, wat resulteert in vrije elektron-gatparen.
Als licht op een n-type halfgeleider valt, kunnen de elektronen van deze lichtgegenereerde elektron-gatparen niet overgaan naar de p-regio, omdat ze de potentieelbarrière niet kunnen oversteken vanwege de afstoting van het elektrisch veld over de afgeleide laag. Tegelijkertijd oversteken de lichtgegenereerde gaten de afgeleide regio vanwege de aantrekkende kracht van het elektrisch veld van de afgeleide laag, waar ze recombineren met elektronen, en dan wordt het gebrek aan elektronen hier gecompenseerd door de valentie-elektronen van de p-regio, en dit maakt evenveel gaten in de p-regio. Op deze manier worden de lichtgegenereerde gaten overgebracht naar de p-regio, waar ze gevangen worden, omdat ze, zodra ze in de p-regio komen, niet meer in staat zijn terug te keren naar de n-type regio vanwege de afstoting van de potentieelbarrière.
Aangezien de negatieve lading (lichtgegenereerde elektronen) aan één kant gevangen zit en de positieve lading (lichtgegenereerde gaten) aan de andere kant van de cel gevangen zit, zal er een potentiaalverschil zijn tussen deze twee zijden van de cel. Dit potentiaalverschil is typisch 0,5 V. Op deze manier produceren fotovoltaïsche cellen of zonnecellen een potentiaalverschil.
Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de moede gedeeld, indien er een schending is neem contact op voor verwijdering.
