Güneş Hücresi veya Fotovoltaik Hücresinin Çalışma Prensibi
Işığın elektrik enerjisine dönüştürülmesi, fotonik etki adı verilen bir fenomene dayanır. Yarıiletken malzemeler ışığa maruz kalırken, ışık ışının bazı fotonları yarıiletken kristal tarafından soğunur ve bu da kristalde önemli miktarda serbest elektron oluşturur. Bu, fotonik etkiye bağlı olarak elektrik üretmenin temel nedenidir. Fotonik hücre, ışık enerjisi ile elektrik üretilen sistemin temel birimidir. Silikon, fotonik hücresi inşa etmek için en yaygın kullanılan yarıiletken maddedir. Silikon atomu dört valans elektronuna sahiptir. Katı kristalde, her silikon atomu dört valans elektronunu diğer en yakın silikon atomlarıyla paylaşıp kovalent bağlar oluşturur. Bu şekilde, silikon kristali tetraedrik bir kafes yapısı alır. Işık ışını herhangi bir malzeme üzerine çarptığında, ışığın bir kısmı yansıtır, bir kısmı malzeme üzerinden geçirilir ve geri kalanı malzeme tarafından soğunulur.
Aynı şey, ışık bir silikon kristali üzerine düştüğünde de gerçekleşir. Vurulan ışığın yoğunluğu yeterince yüksekse, yeterli sayıda foton kristal tarafından soğunulur ve bu fotonlar, kovalent bağların bazı elektronlarını heyecanlandırır. Bu heyecanlanmış elektronlar, valans bandından iletim bandına geçmek için yeterli enerjiyi kazanır. Elektronların enerji seviyesi iletim bandında olduğunda, kovalent bağdan ayrılır ve her çıkarılan elektronun arkasında bir delik bırakır. Bu, silikon kristalin içinde rastgele hareket eden serbest elektronlar olarak adlandırılır. Bu serbest elektronlar ve delikler, fotonik hücrede elektrik üretme konusunda önemli rol oynar. Bu elektronlar ve delikler sırasıyla ışıkla üretilmiş elektronlar ve delikler olarak adlandırılır. Bu ışıkla üretilen elektronlar ve delikler, tek başına silikon kristalinde elektrik üretemez. Bunun için bazı ek mekanizmalar gereklidir.
Bir beşvalent kirletici, örneğin fosfor, silikonun içine ilave edildiğinde, her beşvalent fosfor atomunun dört valans elektronu, kovalent bağlar aracılığıyla dört komşu silikon atomuyla paylaşılır ve beşinci valans elektronu kovalent bir bağ oluşturma şansı bulamaz.
Bu beşinci elektron, ana atomu ile oldukça gevşek bir şekilde bağlanır. Oda sıcaklığında bile, kristalde mevcut termal enerji, bu görece gevşek beşinci elektronları ana fosfor atomlarından ayırma yeteneğine sahiptir. Bu beşinci göreceli olarak gevşek elektron, ana fosfor atomundan ayrıldığında, fosfor atomu hareketsiz pozitif iyonlar haline gelir. Söz konusu ayrılmış elektron, serbest olmasına rağmen, kendisini yeniden bağlamak için kristalde eksik kovalent bağ veya delik bulunmadığından, bu serbest elektronlar, yarıiletken malzemedeki akımı taşıma konusunda her zaman hazır haldedir. Serbest elektronların sayısı ne kadar çok olursa olsun, madde hala elektriksel olarak nötr olur çünkü kristal yapı içinde kilitlenmiş olan pozitif fosfor iyonlarının sayısı, onlardan çıkan serbest elektronların sayısına tam olarak eşittir. Yarıiletken malzemeye kirleticilerin yerleştirilmesi işlemi dozaj olarak bilinir ve dozaj yapılan kirleticiler dozant olarak adlandırılır. Beşvalent dozantlar, yarıiletken kristale beşinci serbest elektronlarını bağışladığı için vericiler olarak adlandırılır. Verici dozantlarla dozalı yarıiletkenler, doğal olarak negatif yüke sahip birçok serbest elektron bulundukları için n-tip veya negatif tip yarıiletken olarak bilinir.
Beşvalent fosfor atomları yerine, bor gibi üçvalent kirletici atomlar yarıiletken kristale ilave edildiğinde, karşıt türde yarıiletken oluşturulur. Bu durumda, kristal kafesindeki bazı silikon atomları bor atomları tarafından değiştirilecektir, yani bor atomları, kafes yapıdaki yer değiştirdiği silikon atomlarının pozisyonlarını alacaktır. Bor atomunun üç valans elektronu, üç komşu silikon atomunun valans elektronlarıyla üç tam kovalent bağ oluşturmak için çiftleşecektir. Bu yapı için, her bor atomu için bir silikon atomu olacak ve bu silikon atomun dördüncü valans elektronu, kovalent bağını tamamlamak için hiçbir komşu valans elektronu bulamayacaktır. Bu nedenle, bu silikon atomların dördüncü valans elektronu eşleşmez ve eksik bir bağ olarak davranır. Böylece, eksik bağda bir elektron eksikliği olacaktır ve bu eksiklik, bu eksikliği gidermek için her zaman bir elektron çekmektedir. Bu nedenle, elektron oturabileceği bir boşluk vardır.
Bu boşluk, kavramsal olarak pozitif delik olarak adlandırılır. Üçvalent kirletici dozalı bir yarıiletken malzemesinde, önemli miktarda kovalent bağ sürekli olarak diğer eksik kovalent bağı tamamlamak için kırılır. Bir bağ kırıldığında, o bağta bir delik oluşur. Bir bağ tamamlandığında, o bağdaki delik kaybolur. Bu şekilde, bir delik başka bir komşu delik yerine görünür. Bu nedenle, delikler yarıiletken kristal içinde göreceli hareket halindedir. Bu bakımdan, deliklerin yarıiletken kristal içinde serbest elektronlar gibi özgürce hareket edebileceğini söyleyebiliriz. Her delik bir elektronu kabul edebileceği için, üçvalent kirleticiler kabul edici dozantlar olarak bilinir ve kabul edici dozantlarla dozalı yarıiletkenler p-tip veya pozitif tip yarıiletken olarak adlandırılır.
n-tip yarıiletken malzemedeki serbest elektronlar çoğunlukla negatif yük taşırken, p-tip yarıiletken malzemedeki delikler ise pozitif yük taşır. Bu nedenle, n-tip yarıiletken malzemedeki serbest elektronlar ve p-tip yarıiletken malzemedeki serbest delikler, sırasıyla n-tip yarıiletken ve p-tip yarıiletken malzemesinde çoğunluk taşıyıcı olarak adlandırılır.
n-tip ve p-tip malzeme arasında her zaman potansiyel bir bariyer vardır. Bu potansiyel bariyer, bir fotonik veya güneş hücresinin çalışması için zorunludur. n-tip yarıiletken ve p-tip yarıiletken birbirine temas ettikçe, n-tip yarıiletkenin temas yüzeyine yakın olan serbest elektronlar, p-tip malzemenin bitişik deliklerine geçer. Sadece serbest elektronlar değil, n-tip malzemenin temas yüzeyine yakın olan valans elektronları da kovalent bağlarından çıkarak, p-tip yarıiletkenin daha yakın delikleriyle yeniden birleşir. Kovalent bağlar kırıldığından, n-tip malzemenin temas yüzeyine yakın bir bölgede birçok delik oluşur. Bu nedenle, temas bölgesi yakınında, p-tip malzemesindeki delikler yeniden birleşme sonucunda ortadan kalkarken, aynı temas bölgesinde n-tip malzemesinde delikler belirir. Bu, deliklerin p-tip yarıiletken malzemesinden n-tip yarıiletken malzemesine geçişi anlamına gelir. Bu nedenle, n-tip yarıiletken ve p-tip yarıiletken birbirine temas ettikçe, n-tip malzemesinden p-tip malzemesine elektronlar transfer edilir ve p-tip malzemesinden n-tip malzemesine delikler transfer edilir. Bu süreç çok hızlıdır ancak sonsuza kadar devam etmez. Bir süre sonra, temas yüzeyine bitişik olan p-tip yarıiletken malzemesinde negatif yük (fazla elektron) bir tabaka oluşur. Benzer şekilde, temas yüzeyine bitişik olan n-tip yarıiletken malzemesinde pozitif yük (pozitif iyonlar) bir tabaka oluşur. Bu negatif ve pozitif yük tabakalarının kalınlığı belirli bir noktaya kadar artar, ancak bundan sonra, n-tip yarıiletken malzemesinden p-tip yarıiletken malzemesine artık elektron geçmemeye başlar. Çünkü, n-tip yarıiletken malzemesinden herhangi bir elektron, p-tip yarıiletken malzemesine geçmeye çalıştığında, n-tip yarıiletken malzemesi içinde yeterince kalın bir pozitif iyon tabakasıyla karşı karşıya kalır ve bu tabakayı geçmeden düşer. Benzer şekilde, p-tip yarıiletken malzemesinden n-tip yarıiletken malzemesine delikler de artık geçmemeye başlar. Delikler, p-tip yarıiletken malzemesindeki negatif tabakayı geçmeye çalışırken, elektronlarla yeniden birleşir ve n-tip bölgesine doğru daha fazla hareket etmez.
Başka bir deyişle, p-tip tarafındaki negatif yük tabakası ve n-tip tarafındaki pozitif yük tabakası, yük taşıyıcılarının bir tarafından diğer tarafa geçmesine karşı bir bariyer oluşturur. Benzer şekilde, p-tip bölgesindeki delikler, n-tip bölgesine girmekten engellenir. Pozitif ve negatif yük tabakaları nedeniyle, bölgede bir elektrik alan oluşur ve bu bölge tükenmiş tabaka olarak adlandırılır.
Şimdi silikon kristaline gelelim. Işık ışını kristal üzerine çarptığında, ışığın bir kısmı kristal tarafından soğunulur ve sonuç olarak, bazı valans elektronları heyecanlanır ve kovalent bağlarından ayrılır, böylece serbest elektron-delik çiftleri oluşur.
Eğer ışık n-tip yarıiletken malzeme üzerine çarptıysa, bu ışıkla üretilen elektron-delik çiftlerinden elektronlar, tükenmiş tabakanın elektirik alanındaki itilme nedeniyle p-bölgesine geçemeyecektir. Aynı zamanda, ışıkla üretilen delikler, tükenmiş tabakanın elektirik alanındaki çekim nedeniyle tükenmiş bölgeyi geçerek elektronlarla yeniden birleşir ve buradaki elektron eksikliği, p-bölgesinin valans elektronları tarafından telafi edilir, bu da p-bölgesinde birçok delik oluşturur. Bu nedenle, ışıkla üretilen delikler, p-bölgesine geçer ve orada hapsolurlar çünkü bir kez p-bölgesine geldikten sonra, potansiyel bariyerin itilmesi nedeniyle n-tip bölgesine geri dönmeyeceklerdir.
Negatif yük (ışıkla üretilen elektronlar) bir tarafta, pozitif yük (ışıkla üretilen delikler) hücresinin karşı tarafında hapsolduğu için, hücresinin bu iki tarafı arasında bir potansiyel fark oluşur. Bu potansiyel fark genellikle 0.5 V'dır. İşte böylece, fotonik hücreler veya güneş hücreleri potansiyel fark üretir.
Açıklama: Orijinali saygı gösterin, iyi makaleler paylaşım edecek, eğer kopyalama varsa lütfen silme isteği ile iletişime geçin.
