หลักการการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์หรือเซลล์โฟโตโวลตาอิก

การแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้ามีพื้นฐานอยู่บนปรากฏการณ์ที่เรียกว่าผลโฟโตโวลตาอิค เมื่อวัสดุกึ่งตัวนำถูกส่องด้วยแสง บางส่วนของโฟตอนของรังสีแสงจะถูกดูดซึมโดยผลึกกึ่งตัวนำ ทำให้มีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในผลึกเพิ่มขึ้น นี่คือเหตุผลหลักในการสร้างกระแสไฟฟ้าจากผลโฟโตโวลตาอิค เซลล์โฟโตโวลตาอิค เป็นหน่วยพื้นฐานของระบบที่ใช้ผลโฟโตโวลตาอิคในการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานแสง ซิลิกอนเป็นวัสดุกึ่งตัวนำที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างเซลล์โฟโตโวลตาอิค อะตอมซิลิกอนมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ 4 ตัว ในผลึกแข็ง แต่ละอะตอมซิลิกอนแบ่งปันอิเล็กตรอนวาเลนซ์ทั้ง 4 ตัวกับอะตอมซิลิกอนใกล้เคียง ทำให้เกิดพันธะโคเวเลนต์ระหว่างกัน ด้วยวิธีนี้ ผลึกซิลิกอนได้โครงสร้างแบบเตตราฮีดรัล ขณะที่รังสีแสงกระทบวัสดุบางส่วนของแสงจะสะท้อนกลับ บางส่วนจะผ่านทะลุวัสดุ และส่วนที่เหลือจะถูกดูดซึมโดยวัสดุ

สิ่งเดียวกันเกิดขึ้นเมื่อแสงกระทบผลึกซิลิกอน หากความเข้มของแสงที่ตกกระทบมากพอ จำนวนโฟตอนที่เพียงพอจะถูกดูดซึมโดยผลึกและโฟตอนเหล่านี้จะกระตุ้นอิเล็กตรอนบางส่วนในพันธะโคเวเลนต์ อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้จะได้รับพลังงานเพียงพอที่จะย้ายจากวงจรวาเลนซ์ไปยังวงจรนำพา เนื่องจากพลังงานของอิเล็กตรอนเหล่านี้อยู่ในวงจรนำพา จึงออกจากพันธะโคเวเลนต์ ทำให้เกิดช่องว่างในพันธะหลังจากที่อิเล็กตรอนถูกเอาออก อิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่อย่างไร้ระเบียบภายในโครงสร้างผลึกซิลิกอน อิเล็กตรอนอิสระและช่องว่างเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการสร้างกระแสไฟฟ้าใน เซลล์โฟโตโวลตาอิค ดังนั้นอิเล็กตรอนและช่องว่างเหล่านี้จึงเรียกว่า อิเล็กตรอนและช่องว่างที่เกิดจากแสง ตามลำดับ อิเล็กตรอนและช่องว่างที่เกิดจากแสงไม่สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าในผลึกซิลิกอนได้เอง จะต้องมีกลไกเพิ่มเติมเพื่อทำเช่นนั้น

เมื่อใส่สารเจือปนเพนทาวาเลนต์ เช่น ฟอสฟอรัส ลงในซิลิกอน อิเล็กตรอนวาเลนซ์ 4 ตัวของอะตอมฟอสฟอรัสแต่ละตัวจะถูกแบ่งปันผ่านพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมซิลิกอนใกล้เคียง 4 ตัว และอิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่ 5 ไม่มีโอกาสสร้างพันธะโคเวเลนต์

อิเล็กตรอนที่ 5 นี้จะถูกผูกมัดอย่างหลวมๆ กับอะตอมแม่ แม้ที่อุณหภูมิห้อง พลังงานความร้อนที่มีอยู่ในผลึกก็เพียงพอที่จะแยกอิเล็กตรอนที่ 5 นี้ออกจากอะตอมฟอสฟอรัสแม่ เมื่ออิเล็กตรอนที่ 5 นี้ถูกแยกออกจากอะตอมฟอสฟอรัส อะตอมฟอสฟอรัสจะกลายเป็นไอออนบวกที่ไม่เคลื่อนที่ อิเล็กตรอนที่แยกออกมาจะเป็นอิสระแต่ไม่มีพันธะโคเวเลนต์หรือช่องว่างในผลึกที่จะรวมตัวใหม่ อิเล็กตรอนอิสระที่มาจากสารเจือปนเพนทาวาเลนต์จะพร้อมเสมอที่จะนำพากระแสไฟฟ้าในกึ่งตัวนำ แม้ว่าจะมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระมากมาย แต่วัสดุยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้าเนื่องจากจำนวนไอออนฟอสฟอรัสบวกที่ถูกล็อกอยู่ในโครงสร้างผลึกเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนอิสระที่ออกมาจากมัน กระบวนการใส่สารเจือปนในกึ่งตัวนำเรียกว่าการเจือปน และสารเจือปนที่ใช้เรียกว่าโดพันท์ โดพันท์เพนทาวาเลนต์ที่บริจาคอิเล็กตรอนที่ 5 ให้กับผลึกกึ่งตัวนำเรียกว่าโดเนอร์ กึ่งตัวนำที่ถูกเจือปนโดยโดพันท์โดเนอร์เรียกว่ากึ่งตัวนำประเภท n หรือกึ่งตัวนำประเภทลบ เนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากที่มีประจุลบตามธรรมชาติ

หากแทนที่จะใช้อะตอมฟอสฟอรัสเพนทาวาเลนต์ ใช้อะตอมเจือปนทรีวาเลนต์ เช่น บอรอน ใส่ลงในผลึกกึ่งตัวนำ กึ่งตัวนำประเภทตรงข้ามจะถูกสร้างขึ้น ในกรณีนี้ อะตอมซิลิกอนบางตัวในโครงสร้างผลึกจะถูกแทนที่ด้วยอะตอมบอรอน กล่าวคือ อะตอมบอรอนจะอยู่ในตำแหน่งของอะตอมซิลิกอนที่ถูกแทนที่ในโครงสร้างผลึก อิเล็กตรอนวาเลนซ์ 3 ตัวของอะตอมบอรอนจะจับคู่กับอิเล็กตรอนวาเลนซ์ของอะตอมซิลิกอนใกล้เคียง 3 ตัว เพื่อสร้างพันธะโคเวเลนต์ครบ 3 ตัว สำหรับการกำหนดนี้ จะมีอะตอมซิลิกอนสำหรับแต่ละอะตอมบอรอน อิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่ 4 ของซิลิกอนจะไม่พบอิเล็กตรอนวาเลนซ์ของเพื่อนบ้านเพื่อเสร็จสมบูรณ์พันธะโคเวเลนต์ที่ 4 ดังนั้นอิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่ 4 ของอะตอมซิลิกอนเหล่านี้จะยังไม่ได้จับคู่และแสดงพฤติกรรมเหมือนพันธะที่ไม่สมบูรณ์ ดังนั้นจะมีการขาดหายของอิเล็กตรอนในพันธะที่ไม่สมบูรณ์ และพันธะที่ไม่สมบูรณ์จะดึงดูดอิเล็กตรอนเพื่อเติมเต็มความขาดหายนี้ ดังนั้นมีช่องว่างสำหรับอิเล็กตรอนที่จะเข้ามา

ช่องว่างนี้เรียกว่าช่องว่างบวก ในกึ่งตัวนำที่เจือปนด้วยสารเจือปนทรีวาเลนต์ มีพันธะโคเวเลนต์ที่แตกต่อยอดอย่างต่อเนื่องเพื่อเติมเต็มพันธะโคเวเลนต์ที่ไม่สมบูรณ์ เมื่อพันธะใดพันธะหนึ่งแตก ช่องว่างจะถูกสร้างขึ้นในพันธะนั้น เมื่อพันธะใดพันธะหนึ่งสมบูรณ์ ช่องว่างในพันธะนั้นจะหายไป ในลักษณะนี้ ช่องว่างหนึ่งจะหายไปและช่องว่างอื่นๆ จะปรากฏขึ้น ดังนั้นช่องว่างมีการเคลื่อนที่ภายในผลึกกึ่งตัวนำ ดังนั้น สามารถกล่าวได้ว่าช่องว่างสามารถเคลื่อนที่อย่างอิสระเหมือนอิเล็กตรอนอิสระภายในผลึกกึ่งตัวนำ เนื่องจากช่องว่างแต่ละตัวสามารถยอมรับอิเล็กตรอนได้ สารเจือปนทรีวาเลนต์จึงเรียกว่าโดพันท์แอคเซปเตอร์ และกึ่งตัวนำที่เจือปนด้วยโดพันท์แอคเซปเตอร์เรียกว่ากึ่งตัวนำประเภท p หรือกึ่งตัวนำประเภทบวก

ในกึ่งตัวนำประเภท n อิเล็กตรอนอิสระเป็นผู้นำประจุลบหลัก ในขณะที่ในกึ่งตัวนำประเภท p ช่องว่างเป็นผู้นำประจุบวกหลัก ดังนั้น อิเล็กตรอนอิสระในกึ่งตัวนำประเภท n และช่องว่างในกึ่งตัวนำประเภท p จึงเรียกว่าผู้นำประจุหลักในกึ่งตัวนำประเภท n และกึ่งตัวนำประเภท p ตามลำดับ

มีกำแพงศักย์ระหว่างวัสดุประเภท n และวัสดุประเภท p กำแพงศักย์นี้จำเป็นสำหรับการทำงานของเซลล์โฟโตโวลตาอิคหรือเซลล์แสงอาทิตย์ เมื่อกึ่งตัวนำประเภท n และกึ่งตัวนำประเภท p สัมผัสกัน อิเล็กตรอนอิสระใกล้กับพื้นผิวสัมผัสของกึ่งตัวนำประเภท n จะมีช่องว่างใกล้เคียงในวัสดุประเภท p ดังนั้น อิเล็กตรอนอิสระในกึ่งตัวนำประเภท n ใกล้กับพื้นผิวสัมผัสจะกระโดดไปยังช่องว่างใกล้เคียงในวัสดุประเภท p เพื่อรวมตัวใหม่ ไม่เพียงแต่อิเล็กตรอนอิสระเท่านั้น แต่อิเล็กตรอนวาเลนซ์ของวัสดุประเภท n ใกล้กับพื้นผิวสัมผัสก็จะออกมาจากพันธะโคเวเลนต์และรวมตัวใหม่กับช่องว่างใกล้เคียงในกึ่งตัวนำประเภท p เมื่อพันธะโคเวเลนต์แตก จะมีช่องว่างหลายตัวเกิดขึ้นในวัสดุประเภท n ใกล้กับพื้นผิวสัมผัส ดังนั้น ใกล้พื้นที่สัมผัส ช่องว่างในวัสดุประเภท p จะหายไปจากการรวมตัวใหม่ ในขณะที่ช่องว่างจะปรากฏในวัสดุประเภท n ใกล้กับพื้นที่สัมผัสเดียวกัน นี่คือการย้ายช่องว่างจากวัสดุประเภท p ไปยังวัสดุประเภท n ดังนั้นเมื่อกึ่งตัวนำประเภท n และกึ่งตัวนำประเภท p สัมผัสกัน อิเล็กตรอนจากกึ่งตัวนำประเภท n จะย้ายไปยังกึ่งตัวนำประเภท p และช่องว่างจากกึ่งตัวนำประเภท p จะย้ายไปยังกึ่งตัวนำประเภท n กระบวนการนี้รวดเร็ว แต่ไม่ดำเนินต่อไปตลอดเวลา หลังจากช่วงเวลาสั้นๆ จะมีชั้นประจุลบ (อิเล็กตรอนเกิน) ในกึ่งตัวนำประเภท p ที่อยู่ใกล้กับพื้นผิวสัมผัส คล้ายกันจะมีชั้นประจุบวก (ไอออนบวก) ในกึ่งตัวนำประเภท n ที่อยู่ใกล้กับพื้นผิวสัมผัส ความหนาของชั้นประจุลบและประจุบวกเพิ่มขึ้นจนถึงระดับหนึ่ง แต่หลังจากนั้นจะไม่มีอิเล็กตรอนย้ายจากกึ่งตัวนำประเภท n ไปยังกึ่งตัวนำประเภท p อีกแล้ว เนื่องจากเมื่ออิเล็กตรอนของกึ่งตัวนำประเภท n พยายามย้ายไปยังกึ่งตัวนำประเภท p จะเผชิญกับชั้นประจุบวกที่หนาแน่นในกึ่งตัวนำประเภท n ซึ่งจะหยุดโดยไม่ข้ามไป คล้ายกัน ช่องว่างจะไม่ย้ายไปยังกึ่งตัวนำประเภท n จากกึ่งตัวนำประเภท p ช่องว่างเมื่อพยายามข้ามชั้นประจุลบในกึ่งตัวนำประเภท p จะรวมตัวใหม่กับอิเล็กตรอนและไม่มีการเคลื่อนที่ไปยังพื้นที่ประเภท n อีก

อีกนัยหนึ่ง ชั้นประจุลบในด้าน p และชั้นประจุบวกในด้าน n ร่วมกันสร้างกำแพงที่ขัดขวางการย้ายผู้นำประจุจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง คล้ายกัน ช่องว่างในพื้นที่ p จะถูกกั้นไม่ให้เข้าสู่พื้นที่ n เนื่องจากชั้นประจุบวกและประจุลบ จะมีสนามไฟฟ้าข้ามพื้นที่และพื้นที่นี้เรียกว่าชั้นสลายตัว

ตอนนี้มาดูผลึกซิลิกอน เมื่อรังสีแสงกระทบผลึก บางส่วนของแสงจะถูกดูดซึมโดยผลึก และทำให้อิเล็กตรอนวาเลนซ์บางส่วนถูกกระตุ้นและออกมาจากพันธะโคเวเลนต์ ทำให้เกิดอิเล็กตรอน-ช่องว่างคู่อิสระ

หากแสงกระทบกึ่งตัวนำประเภท n อิเล็กตรอนจากคู่อิเล็กตรอน-ช่องว่างที่เกิดจากแสงจะไม่สามารถย้ายไปยังพื้นที่ p ได้ เนื่องจากไม่สามารถข้ามกำแพงศักย์ได้เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าข้ามชั้นสลายตัว ในขณะเดียวกัน ช่องว่างที่เกิดจากแสงจะข้ามชั้นสลายตัวเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของชั้นสลายตัว ที่นั่นพวกเขาจะรวมตัวใหม่กับอิเล็กตรอน และความขาดหายของอิเล็กตรอนจะถูกทดแทนด้วยอิเล็กตรอนวาเลนซ์ของพื้นที่ p ทำให้มีช่องว่างในพื้นที่ p ดังนั้นช่องว่างที่เกิดจากแสงจะถูกย้ายไปยังพื้นที่ p ที่พวกเขาถูกกั้นไว้เนื่องจากไม่สามารถกลับไปยังพื้นที่ n ได้เนื่องจากแรงดันกำแพงศักย์

เนื่องจากประจุลบ (อิเล็กตรอนที่เกิดจากแสง) ถูกกั้นไว้ที่ด้านหนึ่ง และประจุบวก (ช่องว่างที่เกิดจากแสง) ถูกกั้นไว้ที่ด้านตรงข้ามของเซลล์ จะมีความต่างศักย์ระหว่างสองด้านของเซลล์ ความต่างศักย์นี้มักจะอยู่ที่ 0.5 V นี่คือวิธีที่ เซลล์โฟโตโวลตาอิค หรือ เซลล์แสงอาทิตย์ สร้างความต่างศักย์

คำชี้แจง: ขอให้เคารพต้นฉบับ บทความที่ดีควรแชร์ หากมีการละเมิดลิขสิทธิ์โปรดติดต่อเพื่อลบ