Delovanje solarnega člena ali fotovoltaičnega člena
Pretvorba svetlobne energije v električno energijo temelji na pojavu, ki se imenuje fotovoltaični učinek. Ko so polprevodni materiali izpostavljeni svetlobi, nekatere fotoni svetlobnega žarka absorbirajo polprevodni kristal, kar povzroči značilno število prostih elektronov v kristalu. To je osnovni razlog za proizvodnjo električne energije zaradi fotovoltaičnega učinka. Fotovoltaična celica je osnovna enota sistema, kjer se fotovoltaični učinek uporablja za proizvodnjo električne energije iz svetlobe. Kremik je najpogosteje uporabljan polprevodni material za izdelavo fotovoltaičnih celic. Atom kremika ima štiri valentne elektrone. V trdnem kristalu vsak atom kremika deli svoje štiri valentne elektrone z najbližjim atomom kremika, s čimer ustvarijo kovalentne vezi med njimi. Na ta način kremikski kristal pridobi tetraedersko mrežno strukturo. Ko svetlobni žarek stigne na kakšen material, del svetlobe se odseva, del prehaja skozi material in ostalo absorbira material.
Isto se zgodi, ko svetloba pada na kremikski kristal. Če je intenziteta padajoče svetlobe dovolj visoka, se dovolj število fotonov absorbira v kristalu, in ti fotoni, na vrsti, vzbujejo nekatere elektrone kovalentnih vezij. Ti vzbujeni elektroni potem dobijo dovolj energije, da se preselite iz valentnega pasu v provodni pas. Ker je ravni energije teh elektronov v provodnem pasu, zapustijo kovalentno vez in zapustijo luknjo v vezi za vsakega odstranjenega elektrona. Te se imenujejo prosti elektroni, ki se naključno gibljejo znotraj kristalne strukture kremika. Ti prosti elektroni in luknje imata ključno vlogo pri ustvarjanju električne energije v fotovoltaični celici. Ti elektroni in luknje se zato imenujejo svetlobno generirani elektroni in luknje. Ti svetlobno generirani elektroni in luknje sami ne morejo proizvajati električne energije v kremikskem kristalu. Za to bi morala obstajati neka dodatna mehanizma.
Ko se kremiku dodajo petvalentni impurit, kot je fosfor, štiri valentni elektroni vsakega petvalentnega atoma fosforja delijo kovalentne vezi z štirimi sosednjimi atomi kremika, peti valentni elektron pa ne dobi priložnosti, da ustvari kovalentno vez.
Ta peti elektron je potem relativno slabo vezan na svoj rodbini atom. Še pri sobni temperaturi je termalna energija, dostopna v kristalu, dovolj velika, da razdvoji te relativno slabo vezane pete elektrone od njihovih rodbinih atomov fosforja. Ko se ta peti relativno slabo vezan elektron razdvoji od rodbinih atomov fosforja, postane atom fosforja nemobilni pozitivni ion. Ta razdvojeni elektron postane prost, toda ni nobene nepopolne kovalentne veze ali luknje v kristalu, kamor bi se lahko ponovno povezal. Ti prosti elektroni, ki pridejo iz petvalentnih impuritov, so vedno pripravljeni, da prevajajo tok v polprevodniku. Čeprav je število prostih elektronov, je snov elektromagnetno neutralna, ker je število pozitivnih ionov fosforja zaklenjenih znotraj kristalne strukture natančno enako številu prostih elektronov, ki so iz njih izstopili. Postopek vstavljanja impuritov v polprevodnik se imenuje dopiranje, impuriti, ki so dopirani, pa se imenujejo dopanti. Petvalentni dopanti, ki dajejo svoj peti prosti elektron polprevodniku, se imenujejo donatorji. Polprevodniki, dopirani z donatorskimi impuriti, se imenujejo n-tip ali negativni tip polprevodnika, saj je tu veliko prostih elektronov, ki so po naravi negativno nabiti.
Če namesto petvalentnih atomov fosforja, trivalentni impuritni atomi, kot je bor, dodamo v polprevodni kristal, se bo ustvaril nasprotni tip polprevodnika. V tem primeru bodo nekateri atomi kremika v kristalni mreži nadomeščeni z atomi bora, drugače povedano, atomi bora bodo zasedli položaje nadomeščenih atomov kremika v mrežni strukturi. Tri valentne elektrone atoma bora se bodo povezali z valentnimi elektroni treh sosednjih atomov kremika, da bi ustvarili tri popolne kovalentne vezi. Za to konfiguracijo bo za vsak atom bora obstajal atom kremika, katerega četrti valentni elektron ne bo našel sosednjih valentnih elektronov, da bi dokončal svojo četrto kovalentno vez. Torej bo četrti valentni elektron teh atomov kremika ostal nepovezan in se obnašal kot nepopolna vez. Tako bo manjkalo enega elektrona v nepopolni vezi, in nepopolna vez bo vedno privabila elektron, da bi izpolnila to pomanjkljivost. Tako je tu prazno mesto, kjer lahko sede elektron.
To prazno mesto konceptualno imenujemo pozitivna luknja. V polprevodniku, dopiranem z trivalentnimi impuriti, je značilen število kovalentnih vezij, ki se stalno lomi, da bi dokončale druge nepopolne kovalentne vezi. Ko se ena vez lomi, se v njej ustvari ena luknja. Ko se ena vez dokonča, izgine luknja v njej. Na ta način se zdi, da ena luknja izginja, druga pa se pojavi v bližnjem okolju. Tako se luknje gibljejo znotraj kristala polprevodnika. Z vidika tega se lahko reče, da se luknje lahko gibljejo prosto, podobno kot prosti elektroni znotraj kristala polprevodnika. Ker vsaka luknja lahko sprejme elektron, se trivalentni impuriti imenujejo akceptorji, polprevodniki, dopirani z akceptorskimi dopanti, pa se imenujejo p-tip ali pozitiven tip polprevodnika.
V n-tipu polprevodnika glavno nosilce naboja so prosti elektroni, v p-tipu polprevodnika pa glavno nosilce naboja predstavljajo luknje, zato se prosti elektroni v n-tipu polprevodnika in proste luknje v p-tipu polprevodnika imenujejo glavni nosilci naboja v n-tipu polprevodnika in p-tipu polprevodnika, tako da se prosti elektroni v n-tipu polprevodnika in proste luknje v p-tipu polprevodnika imenujejo glavni nosilci naboja v n-tipu polprevodnika in p-tipu polprevodnika, tako da se prosti elektroni v n-tipu polprevodnika in proste luknje v p-tipu polprevodnika imenujejo glavni nosilci naboja v n-tipu polprevodnika in p-tipu polprevodnika.
Med n-tipom in p-tipom materiala je vedno potencialni prepreka. Ta potencialna prepreka je bistvena za delovanje fotovoltaične ali sončne celice. Ko se n-tip in p-tip polprevodnika dotikata, dobijo prosti elektroni blizu kontaktnega površja n-tipa polprevodnika dostop do velikega števila luknj v p-tipu materiala. Torej prosta elektrona v n-tipu polprevodnika blizu njegovega kontaktnega površja skočijo v bližnje luknje p-tipa materiala, da se rekonstruirajo. Ne samo prosta elektrona, ampak tudi valentni elektroni n-tipa materiala blizu kontaktnega površja izstopijo iz kovalentne vezi in se rekonstruirajo z bolj bližnjimi luknjami v p-tipu polprevodnika. Ko se kovalentne vezi lomi, se ustvari število luknj v n-tipu materiala blizu kontaktnega površja. Torej blizu kontaktnega območja izginjajo luknje v p-tipu materiala zaradi rekonstrukcije, medtem ko se luknje pojavijo v n-tipu materiala blizu istega kontaktnega območja. To je tako enakovredno premikanju luknj iz p-tipa v n-tip polprevodnika. Torej takoj, ko se n-tip in p-tip polprevodnika dotaknejo, se elektroni iz n-tipa prenesete v p-tip, hkrati pa se luknje iz p-tipa prenesete v n-tip. Postopek je zelo hitër, toda ne traja v neskončnost. Po nekem trenutku se bo v p-tipu polprevodnika oblikoval sloj negativnega naboja (prekomernih elektronov) blizu kontaktnega površja. Podobno se bo v n-tipu polprevodnika oblikoval sloj pozitivnega naboja (pozitivnih ionov) blizu kontaktnega površja. Debelina teh slojev negativnega in pozitivnega naboja se poveča do določene mere, toda po tem ne bodo več elektroni migrirali iz n-tipa polprevodnika v p-tip polprevodnika. To je zato, ker, ko kateri koli elektron n-tipa polprevodnika poskuša migrirati preko p-tipa polprevodnika, sooči se z dovolj debelim slojem pozitivnih ionov v n-tipu polprevodnika, kjer bo padel brez prehoda skozi njega. Podobno ne bodo več luknje migrirale v n-tip polprevodnika iz p-tipa. Luknje, ko poskušajo preko negativnega sloja v p-tipu polprevodnika, se rekonstruirajo z elektroni in ne gredo več proti območju n-tipa.
Z drugimi besedami, negativni sloj naboja na strani p-tipa in pozitivni sloj naboja na strani n-tipa skupaj oblikujeta prepreko, ki se upira migraciji nosilcev naboja z ene strani na drugo. Podobno so luknje v območju p-tipa zadržane, da ne bi vstopile v območje n-tipa. Zaradi pozitivnega in negativnega naboja bo obstajal električni polje preko tega območja, in to območje se imenuje izčrpljeni sloj.
Sedaj se vrneimo k kremikskemu kristalu. Ko svetlobni žarek stigne kristal, del svetlobe ga absorpira, in sledič nekateri valentni elektroni so vzbuženi in izstopijo iz kovalentne vezi, kar rezultira v parovih prostih elektron-luknje.
Če svetloba pada na n-tip polprevodnika, elektroni iz teh svetlobno generiranih parov elektron-luknje ne morejo migrirati v p-območje, ker ne morejo preko potencialne prepreke zaradi odboja električnega polja preko izčrpljenega sloja. Hkrati pa svetlobno generirane luknje preko izčrpljenega območja preko privlačnosti električnega polja izčrpljenega sloja, kjer se rekonstruirajo z elektroni, in nedostopan elektron tukaj kompenzira valentni elektron p-območja, kar ustvarja toliko število luknj v p-območju. Torej svetlobno generirane luknje premaknejo v p-območje, kjer so zajete, ker, ko pridejo v p-območje, ne morejo več vrniti nazaj v n-tip območje zaradi odboja potencialne prepreke.
Ker je negativni naboj (svetlobno generirani elektroni) zajet na eni strani in pozitivni naboj (svetlobno generirane luknje) zajet na nasprotni strani celice, bo med tema dvema stranema celice potencialna razlika. Ta potencialna razlika je tipično 0,5 V. Tako proizvajajo fotovoltaične celice ali sončne celice potencialno razliko.
Izjava: Spoštujte original, dobre članke so vredne delitve, če gre za kršitev avtorskih pravic, se obvestite z zahtevanjem brisanja.
