Принцип роботи сонячної батареї або фотоелементу
Перетворення світлової енергії на електричну базується на явищі, відомому як фотоелектричний ефект. Коли півпровідникові матеріали подаються до світла, деякі фотони променя світла поглинаються кристалом півпровідника, що призводить до значної кількості вільних електронів у кристалі. Це основна причина виробництва електроенергії завдяки фотоелектричному ефекту. Фотоелектричний елемент є базовим одиницям системи, де фотоелектричний ефект використовується для виробництва електроенергії зі світлової енергії. Кремній є найпоширішим півпровідниковим матеріалом для створення фотоелектричного елемента. Атом кремнію має чотири валентні електрони. У твердому кристалі кожен атом кремнію ділиться кожним із своїх чотирьох валентних електронів з іншим найближчим атомом кремнію, створюючи ковалентні зв'язки між ними. Таким чином, кристал кремнію отримує тетраедральну гратку. Коли промінь світла ударяє про будь-який матеріал, частина світла відбивається, частина проникає через матеріал, а решта поглинається матеріалом.
Те ж саме відбувається, коли світло падає на кристал кремнію. Якщо інтенсивність падаючого світла достатньо висока, достатня кількість фотонів поглинається кристалом, і ці фотони, в свою чергу, захищають деякі електрони ковалентних зв'язків. Ці захоплені електрони отримують достатню енергію, щоб переміститися з валентної зони в провідну зону. Оскільки рівень енергії цих електронів знаходиться в провідній зоні, вони відокремлюються від ковалентного зв'язку, залишаючи порожнечу в зв'язку поза кожним вилученим електроном. Це називаються вільними електронами, які хаотично рухаються всередині кристалічної структури кремнію. Ці вільні електрони та порожнечі мають важливу роль у створенні електроенергії в фотоелектричному елементі. Ці електрони та порожнечі відповідно називаються електронами та порожнечами, створеними світлом. Ці електрони та порожнечі, створені світлом, не можуть самостійно виробляти електроенергію в кристалі кремнію. Для цього повинен бути деякий додатковий механізм.
Коли до кремнію додається п'ятивалентна домішка, така як фосфор, чотири валентні електрони кожного п'ятивалентного атома фосфору діляться через ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами кремнію, а п'ятий валентний електрон не має можливості створити ковалентний зв'язок.
Цей п'ятий електрон тоді досить слабко зв'язаний зі своїм батьківським атомом. Навіть при кімнатній температурі, теплова енергія, доступна в кристалі, достатня, щоб роз'єднати ці відносно слабкі п'яті електрони від їхнього батьківського атома фосфору. Коли цей п'ятий відносно слабкий електрон відокремлюється від батьківського атома фосфору, атом фосфору стає неподільним позитивним іоном. Вказані відокремлені електрони стають вільними, але не мають незакінченого ковалентного зв'язку або порожнечі в кристалі, щоб знову з'єднатися. Ці вільні електрони, які походять від п'ятивалентної домішки, завжди готові проводити струм у півпровіднику. Хоча є численні вільні електрони, речовина все одно є електрично нейтральною, оскільки кількість позитивних іонів фосфору, заключених в кристалічній структурі, точно дорівнює кількості вільних електронів, які вийшли з них. Процес введення домішок у півпровідник відомий як допінг, а домішки, які допінгаються, відомі як допанти. П'ятивалентні допанти, які надають свій п'ятий вільний електрон кристалу півпровідника, відомі як донори. Півпровідники, допінгані донорами, відомі як n-тип або негативний тип півпровідник, оскільки там є багато вільних електронів, які за природою заряджені негативно.
Коли замість п'ятивалентних атомів фосфору до кристалу півпровідника додаються тривалентні домішки, такі як бор, створюється протилежний тип півпровідника. У цьому випадку, деякі атоми кремнію в кристалічній ґратці будуть замінені атомами бору, іншими словами, атоми бору займуватимуть місця замінених атомів кремнію в ґратковій структурі. Три валентні електрони атома бору спарюються з валентним електроном трьох сусідніх атомів кремнію, створюючи три повні ковалентні зв'язки. Для цієї конфігурації, для кожного атома бору буде атом кремнію, четвертий валентний електрон якого не знайде сусідніх валентних електронів, щоб завершити його четвертий ковалентний зв'язок. Тому цей четвертий валентний електрон цих атомів кремнію залишається непарним і веде себе як незакінчений зв'язок. Отже, буде брак одного електрона в незакінченому зв'язку, і, таким чином, незакінчений зв'язок завжди притягує електрон, щоб заповнити цей брак. Так, є вакансія для електрона, щоб сісти.
Ця вакансія концептуально називається позитивною порожнечею. У півпровіднику, допінганому тривалентною домішкою, значна кількість ковалентних зв'язків постійно руйнуються, щоб завершити інші незакінчені ковалентні зв'язки. Коли один зв'язок розривається, створюється одна порожнеча в ньому. Коли один зв'язок завершується, порожнеча в ньому зникає. Таким чином, одне зникнення порожнечі в одному місці компенсується з'явою іншої порожнечі в іншому місці. Отже, порожнечі мають відносний рух всередині кристалічної структури півпровідника. З цієї точки зору можна сказати, що порожнечі також можуть вільно рухатися, як вільні електрони, всередині кристалічної структури півпровідника. Оскільки кожна порожнеча може прийняти електрон, тривалентні домішки відомі як акцепторні допанти, а півпровідники, допінгані акцепторними допантами, відомі як p-тип або позитивний тип півпровідник.
У півпровіднику n-типу переважно вільні електрони несуть негативний заряд, а у півпровіднику p-типу переважно порожнечі несуть позитивний заряд, тому вільні електрони в півпровіднику n-типу та вільні порожнечі в півпровіднику p-типу відповідно називаються переважними носіями заряду в півпровіднику n-типу та p-типу.
Між матеріалами n-типу та p-типу завжди існує потенційна бар'єрна зона. Цей потенційний бар'єр є необхідним для роботи фотоелектричного або сонячного елемента. Коли півпровідник n-типу та p-типу контактує один з одним, вільні електрони, близькі до контактної поверхні півпровідника n-типу, отримують багато сусідніх порожнечей матеріалу p-типу. Тому вільні електрони в півпровіднику n-типу, близькі до його контактної поверхні, перескочують до сусідніх порожнечей матеріалу p-типу, щоб рекомбінувати. Не тільки вільні електрони, але й валентні електрони матеріалу n-типу, близькі до контактної поверхні, виходять з ковалентного зв'язку та рекомбінують з більш близькими порожнечами в півпровіднику p-типу. Оскільки ковалентні зв'язки розриваються, створюється кілька порожнечей в матеріалі n-типу, близькому до контактної поверхні. Тому, близько контактної зони, порожнечі в матеріалі p-типу зникають через рекомбінацію, а з іншого боку, порожнечі з'являються в матеріалі n-типу, близькому до цієї контактної зони. Це так, як якби відбувалася міграція порожнечей з p-типу до n-типу. Тому, як тільки півпровідник n-типу та p-типу контактує, електрони з n-типу переносяться до p-типу, а порожнечі з p-типу переносяться до n-типу. Цей процес дуже швидкий, але не триває вічно. Через деякий момент утворюється шар негативного заряду (надлишкових електронів) в півпровіднику p-типу, близькому до контактної поверхні. Аналогічно, утворюється шар позитивного заряду (позитивних іонів) в півпровіднику n-типу, близькому до контактної поверхні. Товщина цих шарів негативного та позитивного заряду зростає до певної міри, але після цього більше немає міграції електронів з півпровідника n-типу до p-типу. Це тому, що, коли будь-який електрон півпровідника n-типу намагається перейти до p-типу, він стикається з достатньо товстим шаром позитивних іонів в самому півпровіднику n-типу, де він опиняється без переходу. Аналогічно, порожнечі більше не мігрують до півпровідника n-типу з p-типу. Коли порожнечі намагаються перейти через негативний шар в півпровіднику p-типу, вони рекомбінують з електронами, і не відбувається більше руху до області n-типу.
Іншими словами, негативний зарядний шар на стороні p-типу та позитивний зарядний шар на стороні n-типу разом формують бар'єр, який протидіє міграції носіїв заряду з однієї сторони на іншу. Аналогічно, порожнечі в області p-типу зупиняються від входу в область n-типу. Через позитивні та негативні зарядні шари утворюється електричне поле по всій області, і ця область називається зоною деплеції.
Тепер давайте повернемося до кристалу кремнію. Коли промінь світла ударяє про кристал, деяка частина світла поглинається кристалом, і, в результаті, деякі валентні електрони захоплюються і виходять з ковалентного зв'язку, що призводить до появи вільних пар електрон-порожнеча.
Якщо світло ударяє про півпровідник n-типу, електрони, створені світловими парами електрон-порожнеча, не можуть мігрувати до області p-типу, оскільки вони не можуть перейти потенційний бар'єр через відштовхування електричного поля в зоні деплеції. Однак, світлові порожнечі перетинають зону деплеції через притягання електричного поля, де вони рекомбінують з електронами, і тоді брак електронів тут компенсується валентними електронами області p-типу, що створює таку саму кількість порожнечей в області p-типу. Таким чином, світлові порожнечі переміщуються до області p-типу, де вони застрягають, оскільки, коли вони приходять до області p-типу, вони не можуть повернутися до області n-типу через відштовхування потенційного бар'єру.
Оскільки негативний заряд (світлові електрони) застрягає з одного боку, а позитивний заряд (світлові порожнечі) — з іншого боку клітини, між цими двома сторонами клітини виникає потенціальна різниця. Ця потенціальна різниця, як правило, становить 0,5 В. Саме так фотоелектричні клітини або сонячні клітини виробляють потенціальну різницю.
Заява: Поважайте оригінал, добри статті варті поділу, якщо є порушення авторських прав, будь ласка, зверніться для видалення.
