Arbeidsprinsipp for solcelle eller fotovoltaisk celle

Konvertering av lysenergi til elektrisk energi er basert på et fenomen som kalles fotovoltseffekt. Når halvledermaterialer blir utsatt for lys, absorberes noen av fotonene i lyset av halvlederkristallen, noe som fører til en betydelig mengde frie elektroner i kristallen. Dette er den grunnleggende årsaken til at elektrisitet produseres ved fotovoltseffekt. Fotovoltaisk celle er den grunnleggende enheten i systemet der fotovoltseffekten benyttes for å produsere elektrisitet fra lysenergi. Silisium er det mest brukte halvledermaterialet for å bygge fotovoltaiske celler. Silisiumatom har fire valenselektroner. I et fast kristall deler hvert silisiumatom hver av sine fire valenselektroner med et nærliggende silisiumatom, noe som skaper kovalente bindinger mellom dem. På denne måten får silisiumkristallen et tetraederlatticestruktur. Når lys treffer materialer, reflekteres en del av lyset, en del transmitteres gjennom materialet, og resten absorberes av materialet.

Det samme skjer når lys treffer et silisiumkristall. Hvis intensiteten av det innkommende lyset er tilstrekkelig høy, absorberes nok fotoner av kristallen, og disse fotonene oppfører seg så vidt at de beveger noen av elektronene i kovalente bindinger. Disse opphissete elektronene får da nok energi til å migrere fra valensbåndet til ledbåndet. Da energinivået til disse elektronene ligger i ledbåndet, forlater de kovalente bindingene og etterlater hull i bindingene bak hvert fjernet elektron. Disse kalles frie elektroner og beveger seg tilfeldig innenfor kristallstrukturen til silisium. Disse frie elektronene og hullene har en viktig rolle i å skape elektrisitet i fotovoltaiske celler. Disse elektronene og hullene kalles henholdsvis lys-genererte elektroner og hull. Disse lys-genererte elektronene og hullene kan ikke alene produsere elektrisitet i silisiumkristallet. Det må være en ekstra mekanisme for å gjøre dette.

Når en pentavalent forurensning som fosfor legges til silisium, deles fire valenselektroner av hvert pentavalent fosforatom gjennom kovalente bindinger med fire nabo-silisiumatomer, mens den femte valenselektronen ikke får mulighet til å skape en kovalent binding.

Denne femte elektronen er deretter relativt løs forbundet med sin forelderatom. Selv ved romtemperatur er termisk energi i kristallet stor nok til å separere disse relativt løse femte elektronene fra deres forelderfosforatom. Når denne femte relatilt løse elektronen separeres fra forelderfosforatomet, blir fosforatomet immobile positive ioner. Den nevnte separerte elektronen blir fri, men har ikke noen ufullstendige kovalente bindinger eller hull i kristallet å bli re-assosiert med. Disse frie elektronene som kommer fra pentavalent forurensning er alltid klar til å lede strøm i halvlederen. Selv om det er mange frie elektroner, er stoffet fortsatt elektrisk nøytral, fordi antallet positive fosforioner låst inne i kristallstrukturen er nøyaktig likt antallet av de frie elektronene som kommer ut av dem. Prosesen med å sette inn forurensninger i halvlederen kalles doping, og forurensningene som dopes kalles dopanter. De pentavale dopantene som gir bort sin femte frie elektron til halvlederkristallen kalles donorer. Halvledere doped med donorforurensninger kalles n-type eller negativ type halvleder, fordi det er mange frie elektroner som er negativt ladet av naturen.

Når istedenfor pentavale fosforatomer, trivalente forurensningsatomer som boron legges til et halvlederkristall, vil motsatt type halvleder bli opprettet. I dette tilfellet vil noen silisiumatomer i kristallgitteret bli erstattet av boronatomer, med andre ord, vil boronatomene ta plassene til erstatte silisiumatomer i gitterstrukturen. Tre valenselektroner av boronatomet vil parres med valenselektronene av tre nabo-silisiumatomer for å skape tre fullstendige kovalente bindinger. For denne konfigurasjonen vil det være et silisiumatom for hvert boronatom, der fjerdet valenselektron ikke finner noen nabovalenselektroner for å fullføre sin fjerde kovalente binding. Derfor forblir dette fjerde valenselektronet av disse silisiumatomene uparret og oppfører seg som en ufullstendig binding. Så det vil være mangel på et elektron i den ufullstendige bindingen, og derfor trekker en ufullstendig binding alltid elektroner for å fylle denne mangelen. Slik er det et vakant sted for elektronet å sitte.

Dette vakante stedet kalles konseptuelt positivt hull. I en trivalent forurensning dopet halvleder, blir en betydelig mengde kovalente bindinger jevnlig brutte for å fullføre andre ufullstendige kovalente bindinger. Når en binding brytes, opprettes et hull i den. Når en binding fullføres, forsvinner hull i den. På denne måten ser det ut som et hull forsvinner og et annet naboliggende hull oppstår. Slik har hull relative bevegelser innenfor halvlederkristallet. I den forstand kan det si at hull også kan bevege seg fritt som frie elektroner innenfor halvlederkristallet. Ettersom hvert hull kan akseptere et elektron, kalles trivalente forurensninger akseptordopanter, og halvledere dopet med akseptordopanter kalles p-type eller positiv type halvleder.

I n-type halvleder bærer hovedsakelig de frie elektronene negativ ladning, og i p-type halvleder bærer hovedsakelig hullene positiv ladning, derfor kalles de frie elektronene i n-type halvleder og de frie hullene i p-type halvleder hovedbærere i n-type halvleder og p-type halvleder henholdsvis.

Det er alltid en potensiell barriere mellom n-type og p-type materiale. Denne potensielle barrieren er nødvendig for arbeidet med en fotovoltaisk eller solcelle. Når n-type halvleder og p-type halvleder kommer i kontakt med hverandre, får de frie elektronene nær kontaktoverflaten av n-type halvleder massivt naboliggende hull av p-type materiale. Derfor hopper de frie elektronene i n-type halvleder nær dens kontaktoverflate over til de naboliggende hullene av p-type materiale for å rekombinere. Ikke bare de frie elektronene, men også valenselektronene av n-type materiale nær kontaktoverflaten kommer ut av kovalente bindinger og rekombinerer med mer naboliggende hull i p-type halvleder. Da kovalente bindinger brytes, vil det oppstå et antall hull i n-type materiale nær kontaktoverflaten. Derfor forsvinner hullene i p-type materiale nær kontaktsonen på grunn av rekombinasjon, mens hullene oppstår i n-type materiale nær samme kontaktsone. Dette er slik ekvivalent til migrasjon av hull fra p-type til n-type halvleder. Så snart en n-type halvleder og en p-type halvleder kommer i kontakt, vil elektronene fra n-type overføres til p-type, og hullene fra p-type overføres til n-type. Prosessen er veldig rask, men fortsetter ikke evig. Etter noen øyeblikk vil det være et lag av negativ ladning (overskuddselektroner) i p-type halvleder nær kontaktoverflaten langs kontaktoverflaten. Tilsvarende vil det være et lag av positiv ladning (positive ioner) i n-type halvleder nær kontaktoverflaten langs kontaktoverflaten. Tykkelsen av disse negative og positive ladningslagene øker opp til en vis grad, men etter det vil ingen flere elektroner migrere fra n-type halvleder til p-type halvleder. Dette er fordi, når et elektron fra n-type halvleder prøver å migrere over p-type halvleder, møter det et tilstrekkelig tykt lag av positive ioner i n-type halvleder selv, hvor det vil havne uten å krysse det. Tilsvarende vil ingen flere hull migrere til n-type halvleder fra p-type. Hullene når de prøver å krysse det negative laget i p-type halvleder, vil de rekombinere med elektroner, og det vil ikke være mer bevegelse mot n-type regionen.

Med andre ord, det negative ladningslaget på p-side og det positive ladningslaget på n-side sammen danner en barriere som motvirker migrasjon av ladningsbærere fra den ene siden til den andre. Tilsvarende holdes hullene i p-region unna fra å komme inn i n-region. På grunn av de positive og negative ladingslagene, vil det være et elektrisk felt over regionen, og denne regionen kalles uttømmelseslaget.

La oss nå se på silisiumkristallet. Når lysstrålen treffer kristallet, absorberes en del av lyset av kristallet, og dermed blir noen av valenselektronene opphisset og kommer ut av kovalente bindinger, noe som resulterer i frie elektron-hull-par.

Hvis lys treffer n-type halvleder, er elektronene fra slike lys-genererte elektron-hull-par ikke i stand til å migrere til p-regionen, fordi de ikke kan krysse potensielle barrieren på grunn av repulsjon av elektrisk felt over uttømmelseslaget. Samtidig krysser lys-genererte hull uttømmelsesregionen på grunn av tiltrekking av elektrisk felt i uttømmelseslaget, der de rekombinerer med elektroner, og deretter kompenserer mangel på elektroner her med valenselektroner fra p-regionen, og dette skaper like mange hull i p-regionen. Slik flyttes lys-genererte hull til p-regionen, der de blir fanget, fordi når de kommer til p-regionen, kan de ikke komme tilbake til n-type regionen på grunn av repulsjon av potensiell barriere.

Da den negative ladningen (lys-genererte elektroner) er fanget på den ene siden og den positive ladningen (lys-genererte hull) er fanget på den motsatte siden av en celle, vil det være en spenning mellom disse to sidene av cellen. Denne spenningen er typisk 0.5 V. Dette er hvordan fotovoltaiske celler eller solceller produserer spenning.

Erklæring: Respekt original, god artikkel verdt å dele, ved kränkning kontakt slett.