Arbetsprincip för solcell eller fotovoltaisk cell
Omvandlingen av ljusenergi till elektrisk energi baseras på ett fenomen som kallas fotovoltaiskt effekt. När halvledarmaterial exponeras för ljus absorberas en del av ljusstrålen av halvledarkristallen, vilket leder till en betydande mängd fria elektroner i kristallen. Detta är den grundläggande anledningen till att elektricitet produceras genom fotovoltaisk effekt. Fotovoltaisk cell är den grundläggande enheten i systemet där fotovoltaisk effekt används för att producera elektricitet från ljusenergi. Kisel är det mest vanligt använda halvledarmaterial för att bygga fotovoltaiska celler. Kiselatom har fyra valenselektroner. I en fast kristall delar varje kiselatom sina fyra valenselektroner med närliggande kiselatomer och skapar så kovalenta bindningar mellan dem. På detta sätt får kiselkristallen en tetraedrisk nätverkstruktur. När ljusstrål träffar material reflekteras en del av ljuset, en del passerar genom materialet och resten absorberas av materialet.
Samma sak inträffar när ljus faller på en kiselkristall. Om intensiteten hos inkommande ljus är tillräckligt hög absorberas tillräckligt många fotoner av kristallen, och dessa fotoner upphetsar i sin tur vissa av elektronerna i kovalenta bindningar. Dessa upphetsade elektroner får sedan tillräckligt med energi för att migrera från valensbandet till ledningsbandet. Eftersom energinivån för dessa elektroner ligger i ledningsbandet lämnar de kovalentbindningen och lämnar ett hål efter varje borttagen elektron. Dessa fria elektroner rör sig slumpmässigt inuti kristallstrukturen i kisel. Dessa fria elektroner och hål har en viktig roll vid skapandet av elektricitet i fotovoltaiska celler. Dessa elektroner och hål kallas därför ljusgenererade elektroner och hål respektive. Dessa ljusgenererade elektroner och hål kan inte producera elektricitet ensamma i kiselkristallen. Det behövs någon ytterligare mekanism för att göra det.
När en pentavalent förorening som fosfor tillsätts kisel delas de fyra valenselektronerna i varje pentavalent fosforatom genom kovalenta bindningar med fyra grannkiselatomer, och den femte valenselektronen får ingen chans att skapa en kovalent bindning.
Denna femte elektron är då relativt löst bunden till sin moderatom. Även vid rumstemperatur är den termiska energin i kristallen tillräcklig för att separera dessa relativt lösa femte elektroner från deras moderfosforatom. När denna femte relativt lös elektron separeras från moderfosforatomet blir fosforatomet immobila positiva jon. Den separerade elektronen blir fri men har inga ofullständiga kovalenta bindningar eller hål i kristallen att återförbunda sig med. Dessa fria elektroner från pentavalenta föroreningar är alltid redo att leda ström i halvledaren. Trots att det finns flera fria elektroner är ändå substansen elektriskt neutral eftersom antalet positiva fosforjoner låsta i kristallstrukturen är exakt lika stort som antalet fria elektroner som kommer ut från dem. Processen att infoga föroreningar i halvledaren kallas dopning, och föroreningarna som dopas kallas dopanter. Pentavalenta dopanter som ger bort sin femte fria elektron till halvledarkristallen kallas donatorer. Halvledare dopade med donatorföroreningar kallas n-typ eller negativ typ halvledare eftersom det finns många fria elektroner som är negativt laddade i naturen.
När istället pentavalenta fosforatomer trivalenta föroreningsatomer som boron tillsätts en halvledarkristall skapas motsatt typ av halvledare. I detta fall ersätts vissa kiselatomer i kristallgittern med boronatomer, med andra ord kommer boronatomerna att inta positionerna för ersatta kiselatomer i gitterstrukturen. Tre valenselektroner av boronatom parar med valenselektron av tre grannkiselatomer för att skapa tre fullständiga kovalenta bindningar. För denna konfiguration kommer det att finnas ett kiselatom för varje boronatom, vars fjärde valenselektron inte hittar några grannvalenselektron för att slutföra sin fjärde kovalenta bindning. Därför förblir denna fjärde valenselektron av dessa kiselatomer oparad och beter sig som ofullständig bindning. Så det kommer att saknas en elektron i den ofullständiga bindningen, och därför attraherar en ofullständig bindning alltid en elektron för att fylla detta tomrum. På så sätt finns det en plats för elektronen att sitta.
Detta tomrum kallas konceptuellt positivt hål. I en trivalent förorenad halvledare bryts en betydande mängd kovalenta bindningar för att slutföra andra ofullständiga kovalenta bindningar. När en bindning bryts skapas ett hål i den. När en bindning slutförs försvinner hålet i den. På detta sätt dyker ett hål upp för att försvinna ett annat grannehål. På så sätt har hål relativ rörelse inuti halvledarkristallen. Med tanke på detta kan man säga att hål också kan röra sig fritt som fria elektroner inuti halvledarkristallen. Eftersom varje hål kan acceptera en elektron kallas trivalenta föroreningar för acceptordopanter och halvledare dopade med acceptordopanter kallas p-typ eller positiv typ halvledare.
I n-typ halvledare bär främst de fria elektronerna negativ laddning och i p-typ halvledare bär främst hålen positiv laddning, därför kallas de fria elektronerna i n-typ halvledare och de fria hålen i p-typ halvledare för majoritetsbärare i n-typ halvledare respektive p-typ halvledare.
Det finns alltid en potentialbarriär mellan n-typ och p-typ material. Denna potentialbarriär är nödvändig för fungerandet av en fotovoltaisk eller solcell. När n-typ halvledare och p-typ halvledare kommer i kontakt med varandra få de fria elektronerna nära kontaktytan av n-typ halvledare massor av närliggande hål i p-typmaterial. Därför hoppar de fria elektronerna i n-typ halvledaren nära dess kontaktyta över till närliggande hål i p-typmaterial för att återförena. Inte bara de fria elektronerna, utan även valenselektronerna i n-typmaterial nära kontaktytan kommer ur kovalenta bindningar och återförenas med mer närliggande hål i p-typ halvledaren. Eftersom kovalenta bindningar bryts kommer det att finnas ett antal hål skapade i n-typmaterial nära kontaktytan. Därför försvinner hålen i p-typmaterial nära kontaktytan på grund av återförening, samtidigt som hål dyker upp i n-typmaterial nära samma kontaktyta. Detta är såsom ekvivalent med migrationen av hål från p-typ till n-typ halvledare. Så snart en n-typ halvledare och en p-typ halvledare kommer i kontakt överförs elektronerna från n-typ till p-typ och hål från p-typ till n-typ. Processen är mycket snabb men fortsätter inte för evigt. Efter några ögonblick kommer det att finnas ett lager av negativ laddning (överflödiga elektroner) i p-typ halvledaren nära kontakten längs kontaktytan. På samma sätt kommer det att finnas ett lager av positiv laddning (positiva jon) i n-typ halvledaren nära kontakten längs kontaktytan. Tjockleken på dessa negativa och positiva laddningslager ökar upp till en viss gräns, men efter det kommer inga fler elektroner att migrera från n-typ halvledare till p-typ halvledare. Det beror på att när någon elektron från n-typ halvledare försöker migrera över p-typ halvledare stöter den på ett tillräckligt tjockt lager av positiva jon i n-typ halvledaren själv, där den faller ner utan att korsa det. På samma sätt kommer hål inte längre att migrera till n-typ halvledaren från p-typ. När hål försöker korsa det negativa lagret i p-typ halvledaren återförenas de med elektroner och rör sig inte längre mot n-typ regionen.
Med andra ord, det negativa laddningslagret på p-sidan och det positiva laddningslagret på n-sidan bildar tillsammans en barriär som motsätter sig migrationen av laddningsbärare från ena sidan till den andra. På samma sätt hålls hål i p-regionen tillbaka från att gå in i n-regionen. På grund av de positiva och negativa laddningslagen kommer det att finnas ett elektriskt fält över regionen, och denna region kallas uttömd zon.
Låt oss nu komma till kiselkristallen. När ljusstrål träffar kristallen absorberas en del av ljuset av kristallen, och som en konsekvens exciteras vissa av valenselektronerna och kommer ut ur kovalenta bindningar, vilket resulterar i fria elektron-hål-par.
Om ljus träffar n-typ halvledare kan elektronerna från dessa ljusgenererade elektron-hål-par inte migrera till p-regionen eftersom de inte kan korsa potentialbarriären på grund av repulsionen av elektriska fältet över uttömda zonen. Samtidigt korsar de ljusgenererade hålen uttömda regionen på grund av attraktionen av elektriska fältet i uttömda zonen, där de återförenas med elektroner, och bristen på elektroner här kompenseras av valenselektronerna i p-regionen, och detta skapar lika många hål i p-regionen. På så sätt flyttas de ljusgenererade hålen till p-regionen, där de fastnar eftersom de en gång de kommer till p-regionen inte kan komma tillbaka till n-typ regionen på grund av repulsionen av potentialbarriären.
Eftersom den negativa laddningen (ljusgenererade elektroner) fastnar på ena sidan och den positiva laddningen (ljusgenererade hål) fastnar på motsatt sida av en cell, kommer det att finnas en spännings skillnad mellan dessa två sidor av cellen. Denna spänningsskillnad är typiskt 0,5 V. Så här producerar fotovoltaiska celler eller solceller spänningsskillnad.
Uttryck: Respektera originaltexten, bra artiklar är värda att dela, om det finns upphovsrättsskydd kontakta för borttagning.
