Принцип работы солнечной батареи или фотоэлектрической батареи
Преобразование световой энергии в электрическую основано на явлении, называемом фотоэлектрическим эффектом. Когда полупроводниковые материалы подвергаются воздействию света, некоторые фотоны светового луча поглощаются кристаллом полупроводника, что вызывает значительное количество свободных электронов в кристалле. Это основная причина производства электроэнергии за счет фотоэлектрического эффекта. Фотоэлемент является базовой единицей системы, где фотоэлектрический эффект используется для производства электроэнергии из световой энергии. Кремний — наиболее широко используемый полупроводниковый материал для изготовления фотоэлемента. Атом кремния имеет четыре валентных электрона. В твердом кристалле каждый атом кремния делится каждым из своих четырех валентных электронов с другим ближайшим атомом кремния, создавая ковалентные связи между ними. Таким образом, кристалл кремния приобретает тетраэдрическую решетчатую структуру. Когда световой луч падает на любой материал, часть света отражается, часть проходит через материал, а остальная часть поглощается материалом.
То же самое происходит, когда свет падает на кристалл кремния. Если интенсивность падающего света достаточно высока, достаточное количество фотонов поглощается кристаллом, и эти фотоны, в свою очередь, возбуждают некоторые из электронов ковалентных связей. Эти возбужденные электроны затем получают достаточно энергии, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости. Поскольку уровень энергии этих электронов находится в зоне проводимости, они покидают ковалентную связь, оставляя дырку в связи за каждым удаленным электроном. Эти свободные электроны перемещаются случайным образом внутри кристаллической структуры кремния. Эти свободные электроны и дырки играют важную роль в создании электроэнергии в фотоэлементе. Эти электроны и дырки, соответственно, называются генерированными светом электронами и дырками. Эти генерированные светом электроны и дырки не могут самостоятельно производить электроэнергию в кристалле кремния. Для этого необходимо некоторое дополнительное устройство.
Когда в кремний добавляется пятивалентный примесный элемент, такой как фосфор, четыре валентных электрона каждого пятивалентного атома фосфора образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый валентный электрон не имеет возможности создать ковалентную связь.
Этот пятый электрон тогда относительно слабо связан со своим родительским атомом. Даже при комнатной температуре тепловая энергия, доступная в кристалле, достаточно велика, чтобы разорвать эти относительно слабые связи пятых электронов с их родительскими атомами фосфора. Когда этот пятый относительно свободный электрон отделяется от родительского атома фосфора, атом фосфора становится неподвижным положительным ионом. Отделенный электрон становится свободным, но у него нет незавершенной ковалентной связи или дырки в кристалле, чтобы снова объединиться. Эти свободные электроны, происходящие от пятивалентных примесей, всегда готовы проводить ток в полупроводнике. Хотя количество свободных электронов велико, вещество остается электрически нейтральным, так как количество положительных ионов фосфора, заключенных в кристаллической структуре, точно равно количеству свободных электронов, вышедших из них. Процесс введения примесей в полупроводник известен как легирование, а примеси, которые вводятся, называются донорами. Пятивалентные доноры, которые передают свой пятый свободный электрон кристаллу полупроводника, называются донорами. Полупроводники, легированные донорными примесями, называются n-типом или отрицательным типом полупроводников, так как в них много свободных электронов, которые по своей природе имеют отрицательный заряд.
Когда вместо пятивалентных атомов фосфора в кристалл полупроводника добавляются трехвалентные примесные атомы, такие как бор, создается противоположный тип полупроводника. В этом случае некоторые атомы кремния в кристаллической решетке заменяются атомами бора, другими словами, атомы бора занимают места замененных атомов кремния в решеточной структуре. Три валентных электрона атома бора будут париться с валентными электронами трех соседних атомов кремния, создавая три полные ковалентные связи. В этой конфигурации будет один атом кремния для каждого атома бора, четвертый валентный электрон которого не найдет соседних валентных электронов, чтобы завершить свою четвертую ковалентную связь. Следовательно, четвертый валентный электрон этих атомов кремния остается непарным и ведет себя как незавершенная связь. Таким образом, в незавершенной связи будет недоставать одного электрона, и незавершенная связь всегда притягивает электрон, чтобы восполнить этот недостаток. Таким образом, есть вакансия для электрона, чтобы занять это место.
Эта вакансия концептуально называется положительной дыркой. В полупроводнике, легированном трехвалентными примесями, значительное количество ковалентных связей постоянно разрывается, чтобы завершить другие незавершенные ковалентные связи. Когда одна связь разрывается, в ней создается одна дырка. Когда одна связь завершается, дырка в ней исчезает. Таким образом, одна дырка кажется исчезающей, а другая соседняя дырка появляется. Таким образом, дырки имеют относительное движение внутри кристалла полупроводника. В этом контексте можно сказать, что дырки также могут свободно двигаться, как свободные электроны, внутри кристалла полупроводника. Поскольку каждая дырка может принять электрон, трехвалентные примеси известны как акцепторные доноры, а полупроводники, легированные акцепторными донорами, известны как p-тип или положительный тип полупроводников.
В n-типовых полупроводниках, главным образом, свободные электроны несут отрицательный заряд, а в p-типовых полупроводниках, главным образом, дырки, в свою очередь, несут положительный заряд, поэтому свободные электроны в n-типовых полупроводниках и свободные дырки в p-типовых полупроводниках называются большинственными носителями в n-типовых и p-типовых полупроводниках, соответственно.
Существует всегда потенциальный барьер между материалами n-типа и p-типа. Этот потенциальный барьер необходим для работы фотоэлемента или солнечной батареи. Когда n-типовый полупроводник и p-типовый полупроводник контактируют друг с другом, свободные электроны, находящиеся рядом с контактной поверхностью n-типового полупроводника, получают большое количество соседних дырок p-типового материала. Поэтому свободные электроны n-типового полупроводника, находящиеся рядом с его контактной поверхностью, переходят в соседние дырки p-типового материала, чтобы рекомбинировать. Не только свободные электроны, но и валентные электроны n-типового материала, находящиеся рядом с контактной поверхностью, также выходят из ковалентной связи и рекомбинируют с более близкими дырками в p-типовом полупроводнике. Поскольку ковалентные связи разрываются, будет создано определенное количество дырок в n-типовом материале, находящемся рядом с контактной поверхностью. Таким образом, в области контакта дырки в p-типовых материалах исчезают из-за рекомбинации, а дырки появляются в n-типовых материалах в той же контактной зоне. Это эквивалентно миграции дырок из p-типового в n-типовый полупроводник. Поэтому, как только n-типовый полупроводник и p-типовый полупроводник вступают в контакт, электроны из n-типового полупроводника переходят в p-типовый, а дырки из p-типового полупроводника переходят в n-типовый. Процесс очень быстрый, но не продолжается бесконечно. После некоторого момента появится слой отрицательного заряда (избыточных электронов) в p-типовом полупроводнике, прилегающем к контактной поверхности. Аналогично, появится слой положительного заряда (положительных ионов) в n-типовом полупроводнике, прилегающем к контактной поверхности. Толщина этих слоев отрицательного и положительного заряда увеличивается до определенного предела, но после этого электроны больше не будут мигрировать из n-типового полупроводника в p-типовый. Это потому, что, когда любой электрон n-типового полупроводника пытается мигрировать через p-типовый полупроводник, он сталкивается с достаточно толстым слоем положительных ионов в самом n-типовом полупроводнике, где он остановится, не пересекая его. Аналогично, дырки больше не будут мигрировать в n-типовый полупроводник из p-типового. Когда дырки пытаются пересечь отрицательный слой в p-типовом полупроводнике, они рекомбинируют с электронами, и больше не будут двигаться в сторону n-типовой области.
Другими словами, слой отрицательного заряда на стороне p-типа и слой положительного заряда на стороне n-типа вместе образуют барьер, который препятствует миграции носителей заряда с одной стороны на другую. Аналогично, дырки в p-типовой области удерживаются от входа в n-типовую область. Из-за положительного и отрицательного заряженных слоев будет существовать электрическое поле в этой области, и эта область называется областью обеднения.
Теперь обратимся к кристаллу кремния. Когда световой луч падает на кристалл, часть света поглощается кристаллом, и в результате некоторые валентные электроны возбуждаются и выходят из ковалентной связи, образуя свободные электрон-дырочные пары.
Если свет падает на n-типовый полупроводник, электроны из таких светогенерируемых электрон-дырочных пар не могут мигрировать в p-область, так как они не могут преодолеть потенциальный барьер из-за отталкивания электрического поля в области обеднения. В то же время, светогенерируемые дырки пересекают область обеднения из-за притяжения электрического поля области обеднения, где они рекомбинируют с электронами, и затем недостаток электронов здесь компенсируется валентными электронами p-области, что создает такое же количество дырок в p-области. Таким образом, светогенерируемые дырки перемещаются в p-область, где они удерживаются, так как, попав в p-область, они не могут вернуться в n-типовую область из-за отталкивания потенциального барьера.
Поскольку отрицательный заряд (светогенерируемые электроны) удерживается на одной стороне, а положительный заряд (светогенерируемые дырки) удерживается на противоположной стороне ячейки, будет существовать разность потенциалов между этими двумя сторонами ячейки. Эта разность потенциалов обычно составляет 0,5 В. Именно так фотоэлементы или солнечные элементы создают разность потенциалов.
Заявление: Уважайте оригинальные, хорошие статьи стоит делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.
