Radni princip solarnog ili fotovoltaičnog elementa

Konverzija svetlosne energije u električnu energiju zasnovana je na fenomenu poznatom kao fotovoltaični efekat. Kada se poluprovodni materijali izlagaju svetlosti, neki fotoni svetlosnog zraka apsorbirani su kristalom poluprovodnika, što dovodi do značajnog broja slobodnih elektrona u kristalu. Ovo je osnovni razlog proizvodnje električne energije usled fotovoltaičnog efekta. Fotovoltaična celija je osnovna jedinica sistema gde se fotovoltaični efekat koristi za proizvodnju električne energije od svetlosne energije. Silicijum je najčešće korišćen poluprovodni materijal za izgradnju fotovoltaične celije. Si atom ima četiri valentna elektrona. U čvrstom kristalu, svaki si atom deli svaki od svojih četiri valentna elektrona sa najbližim si atomom, stvarajući kovalentne veze između njih. Na taj način, silicijumski kristal dobija tetraedarsku rešetkastu strukturu. Dok svetlosni zrak pade na bilo koji materijal, deo svetlosti se reflektuje, deo prolazi kroz materijal, a ostatak apsorbira materijal.

Ista stvar se dešava kada svetlost pada na silicijumski kristal. Ako je intenzitet padajuće svetlosti dovoljno visok, dovoljan broj fotona apsorbiran je kristalom i ti fotoni, na svoj red, uzbuđuju neke elektrone kovalentnih veza. Ovi uzbuđeni elektroni onda dobijaju dovoljno energije da migrišu iz valentne zone u provodnu zonu. Pošto je nivo energije ovih elektrona u provodnoj zoni, oni napuštaju kovalentnu vezu ostavljajući rupu iza svakog uklonjenog elektrona. Ovi slobodni elektroni se nasumično kreću unutar kristalne strukture silicijuma. Ovi slobodni elektroni i rupe imaju ključnu ulogu u stvaranju električne energije u fotovoltaičnoj celiji. Ovi elektroni i rupe se stoga nazivaju svetlosno generisanim elektronima i rupama redom. Ovi svetlosno generisani elektroni i rupe ne mogu sami proizvesti električnu energiju u silicijumskom kristalu. Treba da postoji neki dodatni mehanizam da to obavi.

Kada se pentavalentni završetak, kao što je fosfor, doda silicijumu, četiri valentna elektrona svakog pentavalentnog fosfora dele kovalentne veze sa četiri susjedna si atoma, a peti valentni elektron ne dobija priliku da formira kovalentnu vezu.

Ovaj peti elektron onda relativno slabo vezan je sa svojim roditeljskim atomom. Čak i pri sobnoj temperaturi, termalna energija dostupna u kristalu dovoljno je velika da disocijuje ove relativno slabe pete elektrone sa njihovog roditeljskog fosfora. Dok se ovaj peti relativno slab elektron disocira sa roditeljskog fosfora, fosforov atom postaje nemobilni pozitivni jon. Rekao disocirani elektron postaje slobodan ali nema nezavršene kovalentne veze ili rupu u kristalu da se ponovo asocijuje. Ovi slobodni elektroni koji potiču od pentavalentnih zavrsetaka uvek su spremni da vode struju u poluprovodniku. Iako postoji broj slobodnih elektrona, ipak materija je električno neutralna jer je broj pozitivnih fosfornih jona zaključenih unutar kristalne strukture tačno jednak broju slobodnih elektrona koji su iz njih izlazili. Proces ubacivanja nečistoća u poluprovodnik poznat je kao dopiranje, a nečistoće koje se dopiraju poznate su kao dopanti. Pentavalentni dopanti koji doniraju svoj peti slobodan elektron poluprovodnom kristalu poznati su kao donori. Poluprovodnici dopirani donor dopantima poznati su kao n-tip ili negativni tip poluprovodnika jer postoji mnogo slobodnih elektrona koji su po prirodi negativno nabijeni.

Kada umesto pentavalentnih fosfora atomske nečistoće trivalentnog tipa, poput borana, dodaju se poluprovodnom kristalu, stvara se suprotan tip poluprovodnika. U ovom slučaju, neki si atomi u kristalnoj rešetki biće zamenjeni boranom, drugim rečima, boranovi atomi će zauzeti pozicije zamenjenih si atoma u rešetkoj strukturi. Tri valentna elektrona boranovog atoma će parirati sa valentnim elektronima tri susjedna si atoma kako bi stvorili tri potpune kovalentne veze. Za ovu konfiguraciju, za svaki boranov atom postoji si atom, četvrti valentni elektron kojeg ne može naći susjedne valentne elektrone da završi svoju četvrtu kovalentnu vezu. Stoga, četvrti valentni elektron ovih si atoma ostaje neparni i ponaša se kao nezavršena veza. Tako postoji nedostatak jednog elektrona u nezavršenoj vezi, a nezavršena veza uvek privlači elektrone kako bi ispunila ovaj nedostatak. Tako postoji mesto za elektron da sedne.

Ova praznina konceptualno se naziva pozitivna rupa. U poluprovodniku dopiranom trivalentnim nečistoćama, značajan broj kovalentnih veza stalno se prekida kako bi se završile druge nezavršene kovalentne veze. Kada se jedna vez prekine, jedna rupa se stvara u njoj. Kada se jedna vez završi, rupa u njoj nestaje. Na taj način, jedna rupa deluje da nestane, dok se pojavi druga susedna rupa. Tako rupe imaju relativni pokret unutar kristala poluprovodnika. S obzirom na to, može se reći da rupe takođe mogu slobodno kretati kao slobodni elektroni unutar kristala poluprovodnika. Budući da svaka rupa može prihvatiti elektron, trivalentne nečistoće poznate su kao akceptor dopanti, a poluprovodnici dopirani akceptor dopantima poznati su kao p-tip ili pozitivni tip poluprovodnika.

U n-tipu poluprovodnika uglavnom slobodni elektroni nose negativnu naboj, a u p-tipu poluprovodnika uglavnom rupe nose pozitivnu naboj, stoga slobodni elektroni u n-tipu poluprovodnika i slobodne rupe u p-tipu poluprovodnika nazivaju se većinskim nosiocima u n-tipu poluprovodnika i p-tipu poluprovodnika redom.

Uvek postoji potencijalna prepreka između n-tipa i p-tipa materijala. Ova potencijalna prepreka je neophodna za rad fotovoltaične ili sunčeve celije. Dok se n-tip poluprovodnik i p-tip poluprovodnik dodiruju, slobodni elektroni blizu površine kontakta n-tipa poluprovodnika imaju dovoljno susednih rupe p-tipa materijala. Stoga, slobodni elektroni u n-tipu poluprovodnika blizu njegove površine kontakta skoči u susedne rupe p-tipa materijala kako bi se rekombinirali. Ne samo slobodni elektroni, već i valentni elektroni n-tipa materijala blizu površine kontakta dolaze iz kovalentne veze i rekombiniraju se sa bližim rupe u p-tipu poluprovodnika. Kako su kovalentne veze prekinute, nastaje broj rupe u n-tipu materijala blizu površine kontakta. Dakle, blizu zone kontakta, rupe u p-tipu materijala nestaju zbog rekombinacije, s druge strane, rupe se pojavljuju u n-tipu materijala blizu iste zone kontakta. To je ekvivalentno migraciji rupe iz p-tipa u n-tip poluprovodnika. Dakle, čim se jedan n-tip poluprovodnik i jedan p-tip poluprovodnik dodirnu, elektroni iz n-tipa pređu u p-tip, a rupe iz p-tipa pređu u n-tip. Proces je vrlo brz, ali se ne nastavlja zauvek. Nakon nekoliko trenutaka, postoji sloj negativnog naboja (višak elektrona) u p-tipu poluprovodnika blizu površine kontakta duž površine kontakta. Slično tome, postoji sloj pozitivnog naboja (pozitivni joni) u n-tipu poluprovodnika blizu površine kontakta duž površine kontakta. Debljina ovih slojeva negativnog i pozitivnog naboja povećava se do određenog stepena, ali nakon toga, više elektrona neće migrirati iz n-tipa poluprovodnika u p-tip poluprovodnika. To je zato što, dok bilo koji elektron iz n-tipa poluprovodnika pokušava migrirati preko p-tipa poluprovodnika, suoči se sa dovoljno debljim slojem pozitivnih jona u n-tipu poluprovodnika, gde će pasti bez prelaska. Slično tome, rupe više neće migrirati u n-tip poluprovodnika iz p-tipa. Rupe, kad pokušaju preći kroz negativni sloj u p-tipu poluprovodnika, rekombiniraju sa elektronima i neće se više kretati prema n-tipu regiona.

Drugim rečima, negativni sloj naboja u p-tipu i pozitivni sloj naboja u n-tipu zajedno formiraju prepreku koja sprječava migraciju nosioca naboja sa jedne strane na drugu. Slično tome, rupe u p-tipu regionu su zadržane od ulaska u n-tip region. Zbog pozitivnog i negativnog sloja naboja, postoji električno polje preko regiona, a ovaj region se naziva regija iscrpljenja.

Sada, da se vratimo na silicijumski kristal. Kada svetlosni zrak udari u kristal, deo svetlosti apsorbira kristal, i kao posledica, neki valentni elektroni se uzbuđuju i izlaze iz kovalentne veze rezultirajući slobodnim parovima elektron-rupa.

Ako svetlost udari na n-tip poluprovodnik, elektroni iz takvih svetlosno generisanih parova elektron-rupa ne mogu migrirati u p-region jer ne mogu preći potencijalnu prepreku zbog odbijanja električnog polja preko regije iscrpljenja. Istovremeno, svetlosno generisane rupe prelaze regiju iscrpljenja zbog privlačenja električnog polja regije iscrpljenja, gde se rekombiniraju sa elektronima, a nedostatak elektrona tu kompenzira se valentnim elektronima p-regiona, i to stvara toliko rupe u p-regiju. Tako su svetlosno generisane rupe premještene u p-regiju gdje su zarobljene jer, kada stignu u p-regiju, ne mogu se vratiti u n-tip region zbog odbijanja potencijalne prepreke.

Pošto je negativni naboj (svetlosno generisani elektroni) zarobljen na jednoj strani, a pozitivni naboj (svetlosno generisane rupe) na suprotnoj strani celije, postoji potencijalna razlika između ove dvije strane celije. Ova potencijalna razlika je tipično 0.5 V. Tako proizvode fotovoltaične celije ili sunčeve celije potencijalnu razliku.

Izjava: Pozdravite original, dobre članke vredne su deljenja, ako postoji kršenje autorskih prava kontaktirajte za brisanje.