Zasada działania komórki słonecznej lub fotowoltaicznej

Konwersja energii światła na energię elektryczną opiera się na zjawisku zwanym efektem fotowoltaicznym. Gdy materiały półprzewodnikowe są narażone na światło, niektóre fotonów promienia świetlnego są pochłaniane przez kryształ półprzewodnika, co powoduje znaczną liczbę wolnych elektronów w krysztale. To jest podstawowy powód wydzielania energii elektrycznej dzięki efektowi fotowoltaicznemu. Komórka fotowoltaiczna to podstawowa jednostka systemu, w którym efekt fotowoltaiczny jest wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej z energii światła. Krem i krzem są najbardziej szeroko stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi do budowy komórki fotowoltaicznej. Atom krzemu ma cztery elektrony walencyjne. W stałym krysztale każdy atom krzemu dzieli każdy ze swoich czterech elektronów walencyjnych z innym najbliższym atomem krzemu, tworząc wiązania kowalencyjne między nimi. W ten sposób, kryształ krzemu uzyskuje strukturę sieciową tetraedryczną. Gdy promień świetlny uderza w jakikolwiek materiał, część światła jest odbijana, część przenika przez materiał, a reszta jest pochłaniania przez materiał.

To samo dzieje się, gdy światło pada na kryształ krzemu. Jeśli natężenie padającego światła jest wystarczająco wysokie, dostateczna liczba fotonów jest pochłaniania przez kryształ, a te fotony, z kolei, pobudzają niektóre elektrony wiązań kowalencyjnych. Te pobudzone elektrony otrzymują wystarczającą ilość energii, aby przenieść się z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia. Ponieważ poziom energetyczny tych elektronów znajduje się w pasmie przewodzenia, opuszczają one wiązanie kowalencyjne, pozostawiając za sobą dziurę w wiązaniu. Są to tak zwane wolne elektrony, które poruszają się losowo wewnątrz struktury kryształowej krzemu. Te wolne elektrony i dziury odgrywają kluczową rolę w tworzeniu energii elektrycznej w komórce fotowoltaicznej. Te elektrony i dziury są więc nazywane odpowiednio elektronami i dziurami wytworzonymi przez światło. Te wytworzone przez światło elektrony i dziury nie mogą samodzielnie produkować energii elektrycznej w krysztale krzemu. Powinien istnieć jakiś dodatkowy mechanizm, który umożliwiłby to.

Gdy do krzemu dodaje się pięciowartościowy domieszkujący element, taki jak fosfor, cztery elektrony walencyjne każdego pięciowartościowego atomu fosforu są współdzieleni poprzez wiązania kowalencyjne z czterema sąsiednimi atomami krzemu, a piąty elektron walencyjny nie ma szansy stworzyć wiązanie kowalencyjne.

Ten piąty elektron jest wtedy związany względnie luźno ze swoim pierwotnym atomen. Nawet przy temperaturze pokojowej, energia termiczna dostępna w krysztale jest wystarczająca, aby rozłączyć te względnie luźne piąte elektrony od ich pierwotnych atomów fosforu. Gdy ten piąty względnie luźny elektron jest rozłączony od pierwotnego atomu fosforu, atom fosforu staje się nieruchomym dodatnim jonem. Rozłączony elektron staje się wolnym, ale nie ma żadnego niekompletnego wiązania kowalencyjnego lub dziury w krysztale, z którą mógłby się ponownie połączyć. Te wolne elektrony pochodzące z pięciowartościowych domieszek są zawsze gotowe do przeprowadzania prądu w półprzewodniku. Chociaż istnieje wiele wolnych elektronów, substancja nadal jest elektrycznie neutralna, ponieważ liczba dodatnich jonów fosforu zamkniętych w strukturze kryształowej jest dokładnie równa liczbie wolnych elektronów, które z nich pochodzą. Proces wprowadzania domieszek do półprzewodnika nazywa się domieszczaniem, a domieszkujące substancje nazywane są domieszkami. Pięciowartościowe domieszkujące substancje, które oddają swój piąty wolny elektron do kryształu półprzewodnika, nazywane są dawcami. Półprzewodniki domieszczone domieszkami dawcowymi nazywane są typem n lub półprzewodnikami ujemnego typu, ponieważ zawierają wiele wolnych elektronów, które są z natury ujemnie naładowane.

Gdy zamiast pięciowartościowych atomów fosforu, do kryształu półprzewodnika dodaje się trójwartościowe domieszkujące atomy, takie jak bor, powstaje odwrotny typ półprzewodnika. W tym przypadku niektóre atomy krzemu w strukturze kryształowej zostaną zastąpione przez atomy boru, innymi słowy, atomy boru zajmą miejsca zastąpionych atomów krzemu w strukturze sieciowej. Trzy elektrony walencyjne atomy boru połączą się z elektronami walencyjnymi trzech sąsiednich atomów krzemu, tworząc trzy pełne wiązania kowalencyjne. Dla tej konfiguracji, dla każdego atomu boru będzie istniał atom krzemu, którego czwarty elektron walencyjny nie znajdzie sąsiednich elektronów walencyjnych, aby uzupełnić swoje czwarte wiązanie kowalencyjne. Stąd czwarty elektron walencyjny tych atomów krzemu pozostaje niepołączony i zachowuje się jako niekompletne wiązanie. Zatem brakuje jednego elektronu w niekompletnym wiązaniu, a niekompletne wiązanie zawsze przyciąga elektron, aby uzupełnić ten brak. Tak więc, istnieje lukę, w której może usiąść elektron.

Ta luka jest koncepcyjnie nazywana dodatnią dziurą. W półprzewodniku domieszczonym trójwartościowym domieszkiem, znaczna liczba wiązań kowalencyjnych jest ciągle łamana, aby uzupełnić inne niekompletne wiązania kowalencyjne. Gdy jedno wiązanie jest złamane, powstaje w nim jedna dziura. Gdy jedno wiązanie jest uzupełnione, dziura w nim zniknie. W ten sposób, jedna dziura wydaje się zniknąć, a inna sąsiadująca dziura pojawia się. Zatem dziury mają względny ruch wewnątrz kryształu półprzewodnika. W tym kontekście można stwierdzić, że dziury również mogą swobodnie poruszać się jak wolne elektrony w krysztale półprzewodnika. Ponieważ każda dziura może przyjąć elektron, trójwartościowe domieszkujące substancje są nazywane akceptorami, a półprzewodniki domieszczone akceptorami nazywane są typem p lub półprzewodnikami dodatniego typu.

W półprzewodnikach typu n głównie wolne elektrony noszą ładunek ujemny, a w półprzewodnikach typu p主要是电力科技领域的翻译，根据要求，这里应该继续波兰语的翻译内容。以下是继续的翻译：

W półprzewodnikach typu p głównie dziury noszą ładunek dodatni, dlatego wolne elektrony w półprzewodnikach typu n i wolne dziury w półprzewodnikach typu p nazywane są odpowiednio nośnikami większości w półprzewodnikach typu n i p.

Zawsze istnieje bariéra potencjału między materiałami typu n i p. Ta bariéra potencjału jest niezbędna do działania komórki fotowoltaicznej lub słonecznej. Gdy półprzewodnik typu n i półprzewodnik typu p stykają się, wolne elektrony blisko powierzchni styku półprzewodnika typu n mają wiele sąsiednich dziur w materiale typu p. Dlatego wolne elektrony w półprzewodniku typu n blisko jego powierzchni styku skaczą do sąsiednich dziur w materiale typu p, aby się połączyć. Nie tylko wolne elektrony, ale także elektrony walencyjne materiału typu n blisko powierzchni styku wychodzą z wiązań kowalencyjnych i łączą się z bliższymi dziurami w półprzewodniku typu p. Ponieważ wiązania kowalencyjne są łamane, powstanie wiele dziur w materiale typu n blisko powierzchni styku. W związku z tym, w strefie styku, dziury w materiale typu p znikają z powodu rekombinacji, a jednocześnie pojawiają się dziury w materiale typu n w tej samej strefie styku. Jest to równoznaczne z migracją dziur z materiału typu p do materiału typu n. Dlatego, gdy jeden półprzewodnik typu n i jeden półprzewodnik typu p stykają się, elektrony z półprzewodnika typu n przenoszą się do półprzewodnika typu p, a dziury z półprzewodnika typu p przenoszą się do półprzewodnika typu n. Proces ten jest bardzo szybki, ale nie trwa wiecznie. Po chwili powstaje warstwa ładunku ujemnego (nadmiar elektronów) w półprzewodniku typu p obok powierzchni styku. Podobnie, powstaje warstwa ładunku dodatniego (jonów dodatnich) w półprzewodniku typu n obok powierzchni styku. Grubość tych warstw ładunku ujemnego i dodatniego zwiększa się do pewnego stopnia, ale po osiągnięciu tego stopnia, już żadne elektrony nie będą migrować z półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p. Dzieje się tak, ponieważ, gdy którykolwiek elektron z półprzewodnika typu n próbuje przenieść się do półprzewodnika typu p, napotyka wystarczająco grubą warstwę jonów dodatnich w półprzewodniku typu n, gdzie upada bez jej przekroczenia. Podobnie, dziury nie będą już migrować do półprzewodnika typu n z półprzewodnika typu p. Gdy dziury próbują przekroczyć warstwę ujemną w półprzewodniku typu p, rekombinują z elektronami i nie następuje dalszy ruch w kierunku obszaru typu n.

Innymi słowy, warstwa ładunku ujemnego po stronie p i warstwa ładunku dodatniego po stronie n razem tworzą barierę, która zapobiega migracji nośników ładunku z jednej strony na drugą. Podobnie, dziury w regionie typu p są zatrzymywane przed wejściem do regionu typu n. Dzięki warstwie ładunku dodatniego i ujemnego, powstaje pole elektryczne w tym regionie, a ten obszar nazywany jest warstwą wyczerpania.

Teraz przejdźmy do kryształu krzemu. Gdy promień świetlny uderza w kryształ, część światła jest pochłaniania przez kryształ, a w rezultacie niektóre elektrony walencyjne są pobudzane i wychodzą z wiązań kowalencyjnych, tworząc pary wolnych elektron-dziura.

Jeśli światło uderza w półprzewodnik typu n, elektrony z tych par elektron-dziura wygenerowane przez światło nie są w stanie przeniknąć do regionu p, ponieważ nie są w stanie przekroczyć bariery potencjału z powodu odpychania pola elektrycznego w warstwie wyczerpania. Jednocześnie, wygenerowane przez światło dziury przenikają przez warstwę wyczerpania z powodu przyciągania pola elektrycznego, gdzie rekombinują z elektronami, a brak elektronów tutaj jest kompensowany przez elektrony walencyjne regionu p, co tworzy tyle samo dziur w regionie p. Wygenerowane przez światło dziury są przenoszone do regionu p, gdzie są uwięzione, ponieważ, gdy dotrą do regionu p, nie są w stanie wrócić do regionu typu n z powodu odpychania bariery potencjału.

Ponieważ ładunek ujemny (wygenerowane przez światło elektrony) jest uwięziony po jednej stronie, a ładunek dodatni (wygenerowane przez światło dziury) jest uwięziony po przeciwnej stronie komórki, powstanie różnica potencjałów między tymi dwoma stronami komórki. Ta różnica potencjałów wynosi zwykle 0,5 V. W ten sposób komórki fotowoltaiczne lub komórki słoneczne produkują różnicę potencjałów.

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły warto udostępniać, w przypadku naruszenia praw autorskich proszę o kontakt w celu usunięcia.