Prinsipyong Paggana ng Solar Cell o Photovoltaic Cell

Ang pagbabago ng enerhiya ng liwanag sa enerhiyang elektriko ay batay sa isang kaganapan na tinatawag na photovoltaic effect. Kapag ang mga materyales na semiconductor ay inilapat sa liwanag, ilang bahagi ng mga photon ng sinag ng liwanag ay inaabsorb ng kristal ng semiconductor na nagdudulot ng malaking bilang ng malayang elektron sa loob ng kristal. Ito ang pangunahing dahilan para sa paggawa ng kuryente dahil sa photovoltaic effect. Ang photovoltaic cell ay ang pangunahing yunit ng sistema kung saan ang photovoltaic effect ay ginagamit upang lumikha ng kuryente mula sa enerhiya ng liwanag. Ang silicon ang pinakakaraniwang ginagamit na materyales ng semiconductor para sa pagtatayo ng photovoltaic cell. Ang atom ng silicon ay may apat na valence electrons. Sa isang solid na kristal, bawat atom ng silicon ay ibinabahagi ang bawat isa ng kanyang apat na valence electrons sa isa pang silangan na atom ng silicon kaya nabubuo ang covalent bonds sa pagitan nila. Sa ganitong paraan, ang kristal ng silicon ay nakukuha ang tetrahedral lattice structure. Habang ang sinag ng liwanag ay tumutugon sa anumang materyales, ilang bahagi ng liwanag ay nire-reflected, ilang bahagi ay nagsasagawa sa pamamagitan ng materyales at ang natitirang bahagi ay inaabsorb ng materyales.

Ang parehong bagay na ito ay nangyayari kapag ang liwanag ay tumama sa kristal ng silicon. Kung ang lakas ng insidente ng liwanag ay sapat, sapat na bilang ng mga photon ay inaabsorb ng kristal at ang mga photon na ito, sa kanyang pagkakataon, ay pinaexcite ang ilang bahagi ng mga elektron ng covalent bonds. Ang mga excited na elektron na ito ay pagkatapos ay nakakakuha ng sapat na enerhiya upang lumipat mula sa valence band patungo sa conduction band. Dahil ang antas ng enerhiya ng mga elektron na ito ay nasa conduction band, sila ay umalis mula sa covalent bond na nag-iwan ng isang butas sa bond bawat alisin na elektron. Ang mga ito ay tinatawag na malayang elektron na random na gumagalaw sa loob ng struktura ng kristal ng silicon. Ang mga malayang elektron at butas ay may mahalagang papel sa paggawa ng kuryente sa photovoltaic cell. Ang mga elektron at butas na ito ay kaya tinatawag na light-generated electrons and holes na iyon. Ang mga light generated electrons at butas na ito ay hindi makapagbibigay ng kuryente sa kristal ng silicon mag-isa. Dapat mayroong ilang karagdagang mekanismo upang gawin ito.

Kapag ang isang pentavalent impurity tulad ng phosphorus ay idinagdag sa silicon, ang apat na valence electrons ng bawat pentavalent phosphorous atom ay ibinabahagi sa pamamagitan ng covalent bonds sa apat na kalapit na silicon atoms, at ang ika-lima na valence electron ay hindi nakakakuha ng anumang pagkakataon na lumikha ng isang covalent bond.

Ang ika-lima na elektron na ito ay pagkatapos ay mas maluwag na bounded sa kanyang parent atom. Kahit sa temperatura ng kwarto, ang thermal energy na available sa kristal ay sapat upang disassociate ang mga mas maluwag na ika-lima na elektron mula sa kanilang parent phosphorus atom. Habang ang ika-lima na maluwag na elektron ay disassociated mula sa parent phosphorus atom, ang phosphorous atom ay immobile positive ions. Ang nasabing disassociated na elektron ay naging libre ngunit hindi mayroon anumang incomplete covalent bond o butas sa kristal upang muling associated. Ang mga malayang elektron na galing sa pentavalent impurity ay laging handa na mag-conduct ng current sa semiconductor. Bagaman mayroong bilang ng malayang elektron, pa rin ang substansiya ay electrically neutral dahil ang bilang ng positive phosphorous ions na nakakandado sa loob ng struktura ng kristal ay eksaktong katumbas ng bilang ng mga malayang elektron na lumabas mula sa kanila. Ang proseso ng paglalagay ng mga impurities sa semiconductor ay kilala bilang doping, at ang mga impurities na doped ay kilala bilang dopants. Ang mga pentavalent dopants na nag-donate ng kanilang ika-lima na malayang elektron sa semiconductor crystal ay kilala bilang donors. Ang mga semiconductors na doped ng donor impurities ay kilala bilang n-type o negative type semiconductor dahil mayroong maraming malayang elektron na negatibong chargado sa natura.

Kapag ang halimbawa ng pentavalent phosphorous atoms, trivalent impurity atoms tulad ng boron ay idinagdag sa isang semiconductor crystal, ang kabaligtaran na uri ng semiconductor ay lalabas. Sa kasong ito, ilang silicon atoms sa crystal lattice ay papalitan ng boron atoms, sa ibang salita, ang boron atoms ay okupahan ang posisyon ng palitan na silicon atoms sa lattice structure. Tatlong valance electrons ng boron atom ay pair sa valance electron ng tatlong kalapit na silicon atoms upang lumikha ng tatlong complete covalent bonds. Para sa configuration na ito, magkakaroon ng isang silicon atom para sa bawat boron atom, ang ika-apat na valence electron ng kung saan ay hindi makakahanap ng anumang kalapit na valance electrons upang kumpleto ang ika-apat na covalent bond. Dahil dito, ang ika-apat na valence electron ng mga silicon atoms ay nananatili unpaired at gumagamit bilang incomplete bond. Kaya may kakulangan ng isang elektron sa incomplete bond, at kaya ang incomplete bond ay laging nag-aattract ng elektron upang punuin ang kakulangan. Bilang resulta, mayroong puwang para sa elektron na upuan.

Ang puwang na ito ay konseptwal na tinatawag na positive hole. Sa isang trivalent impurity doped semiconductor, isang malaking bilang ng covalent bonds ay patuloy na broken up para kumpleto ng iba pang incomplete covalent bonds. Kapag isang bond ay broken, isang butas ay lumilikha sa kanya. Kapag isang bond ay kumpleto, ang butas sa kanya ay nawawala. Sa ganitong paraan, isang butas ay parang nawawala at isang kalapit na butas ay lumilikha. Bilang resulta, ang mga butas ay may relative motion sa loob ng semiconductor crystal. Sa pananaw na ito, maaaring masabi na ang mga butas din ay maaaring galawin nang malaya bilang malayang elektron sa loob ng semiconductor crystal. Dahil bawat butas ay maaaring tanggapin ng isang elektron, ang trivalent impurities ay kilala bilang acceptor dopants at ang mga semiconductors na doped ng acceptor dopants ay kilala bilang p-type o positive type semiconductor.

Sa n-type semiconductor, ang mga malayang elektron ay nagdadala ng negatibong charge at sa p-type semiconductor, ang mga butas ay nagdadala ng positibong charge kaya ang mga malayang elektron sa n-type semiconductor at malayang butas sa p-type semiconductor ay tinatawag na majority carrier sa n-type semiconductor at p-type semiconductor, respectibong.

Mayroon palaging potential barrier sa pagitan ng n-type at p-type material. Ang potential barrier na ito ay mahalaga para sa paggana ng isang photovoltaic o solar cell. Habang ang n-type semiconductor at p-type semiconductor ay kontakin ang isa't isa, ang mga malayang elektron malapit sa contact surface ng n-type semiconductor ay nakakakuha ng maraming adjacent holes ng p-type material. Kaya ang mga malayang elektron sa n-type semiconductor malapit sa kanyang contact surface ay tumalon sa adjacent holes ng p-type material upang recombine. Hindi lang ang malayang elektron, kundi ang valence electrons ng n-type material malapit sa contact surface ay lumabas mula sa covalent bond at recombine sa mas malapit na holes sa p-type semiconductor. Dahil ang covalent bonds ay broken, magkakaroon ng bilang ng butas sa n-type material malapit sa contact surface. Kaya, malapit sa contact zone, ang mga butas sa p-type materials ay nawawala dahil sa recombination sa kabilang banda, ang mga butas ay lumilikha sa n-type material malapit sa parehong contact zone. Ito ay kasing-kahalagahan ng migration ng mga butas mula sa p-type patungo sa n-type semiconductor. Kaya agad na ang isang n-type semiconductor at isang p-type semiconductor ay makikipag-contact, ang mga elektron mula sa n-type ay lilipat sa p-type at ang mga butas mula sa p-type ay lilipat sa n-type. Ang proseso ay mabilis pero hindi patuloy na forever. Matapos ang ilang sandali, magkakaroon ng layer ng negatibong charge (excess electrons) sa p-type semiconductor malapit sa contact sa tabi ng contact surface. Parehong, magkakaroon ng layer ng positibong charge (positive ions) sa n-type semiconductor malapit sa contact sa tabi ng contact surface. Ang thickness ng mga negatibong at positibong charge layer ay tumaas hanggang sa tiyak na limitasyon, ngunit pagkatapos noon, walang hihigit na elektron na lilipat mula sa n-type semiconductor patungo sa p-type semiconductor. Ito dahil, habang anumang elektron ng n-type semiconductor ay subok na mag-migrate sa p-type semiconductor, ito ay nakakarating sa sapat na thick layer ng positive ions sa n-type semiconductor mismo kung saan ito ay bababa nang hindi na nakakaratig. Parehong, ang mga butas ay hindi na hihigit na mag-migrate sa n-type semiconductor mula sa p-type. Ang mga butas habang subok na lumampas sa negatibong layer sa p-type semiconductor, ito ay recombine sa mga elektron at walang hihigit na galaw patungo sa n-type region.

Sa ibang salita, ang negatibong charge layer sa p-type side at positibong charge layer sa n-type side magkasama ay bumubuo ng isang barrier na sumusunod sa migration ng charge carriers mula sa isang side patungo sa ibang side. Parehong, ang mga butas sa p-type region ay hinaharang mula pumasok sa n-type region. Dahil sa positibong at negatibong charged layer, magkakaroon ng electric field sa buong rehiyon at ang rehiyon na ito ay tinatawag na depletion layer.

Ngayon, pumunta tayo sa kristal ng silicon. Kapag ang sinag ng liwanag ay tumama sa kristal, ilang bahagi ng liwanag ay inaabsorb ng kristal, at bilang resulta, ilang bahagi ng mga valence electrons ay pinaexcite at lumabas mula sa covalent bond na nagresulta ng free electron-hole pairs.

Kapag ang liwanag ay tumama sa n-type semiconductor, ang mga elektron mula sa light-generated electron-hole pairs ay hindi maaaring mag-migrate sa p-region dahil hindi sila maaaring lumampas sa potential barrier dahil sa repulsion ng electric field sa depletion layer. Sa parehong oras, ang mga light-generated holes ay lumampas sa depletion region dahil sa attraction ng electric field ng depletion layer kung saan sila recombine sa mga elektron, at pagkatapos, ang kakulangan ng mga elektron dito ay kompensado ng valence electrons ng p-region, at ito ay gumagawa ng parehong bilang ng butas sa p-region. Bilang resulta, ang mga light generated holes ay inilipat sa p-region kung saan sila trapped dahil kapag sila ay dumating sa p-region, hindi sila maaaring bumalik sa n-type region dahil sa repulsion ng potential barrier.

Dahil ang negatibong charge (light generated electrons) ay trapped sa isang side at positibong charge (light generated holes) ay trapped sa kabilang side ng cell, magkakaroon ng potential difference sa pagitan ng dalawang sides ng cell. Ang potential difference na ito ay tipikal na 0.5 V. Ito ang paraan kung paano ang photovoltaic cells o solar cells produce potential difference.

Pahayag: Igalang ang original, mahalagang mga artikulo na karapat-dapat na maibahagi, kung may paglabag sa karapatang-ari pakisalamuhan para burahin.