Quyosh elementi yoki fotovoltaik elementning ishlash printsipi

Yorqin energiyani elektrik energiyasiga o‘tkazish quyidagi jarayon orqali amalga oshiriladi - fotovoltaik effekt deb ataladigan jarayon. Yarim tovushli materiallar yorqinga tashnalganda, yorqin nurlarining ba’zi fotonlari yarim tovushli kristallarga o‘tadi va bu kristallarda bepul elektronlar soni oshadi. Bu fotovoltaik effekt orqali elektrik energiyasini ishlab chiqarishning asosiy sababi hisoblanadi. Fotovoltaik element bu sistemada yorqin energiyasidan elektrik energiya hosil qilish uchun ishlatiladigan asosiy birlikdir. Silitsium eng keng tarqalgan yarim tovushli material bo'lib, fotovoltaik elementlarni qurish uchun ishlatiladi. Silitsium atomi to'rtta valent elektrondan iborat. Qattiq kristalda har bir silitsium atomi ularning to'rtta valent elektronini yaqin ko'rsatkich silitsium atomiga ulangan holda kovalent bog'lamlar yaratadi. Shunday qilib, silitsium kristali tetraedral reshetka strukturasiga ega bo'ladi. Yorqin nurlar hech qanday materialga tushganda, nurlarning qanday qismini noqoldirish, qanday qismini o'tkazish, qolgan qismi esa material tomonidan o'tkaziladi.

Yorqin silitsium kristalga tushganda ham shunday jarayon sodir bo'ladi. Agar tushgan yorqin intensivligi yetarli bo'lsa, kristal tomonidan juda ko'p fotonlar o'tkaziladi va bu fotonlar o'z navbatida kovalent bog'lamlardagi ba'zi elektronlarni hozirgi holatdan o'tkazadi. Bu voqeada elektronlar ko'proq energiya oladi va valent zonadan konduksiya zonasiga o'tadi. Bu elektronlar konduksiya zonasida energiya darajasiga erishsa, ular kovalent bog'lamlardan o'tib ketadi va arkalari bo'sh joy qoldiradi. Ushbu elektronlar silitsium kristal strukturasida tasodifiy yo'nalishda harakat qiladi. Bu bepul elektronlar va bo'sh joylar fotovoltaik elementda elektrik energiya ishlab chiqarishda muhim rol o'ynaydi. Ular mos ravishda yorqin bilan generatsiya qilingan elektronlar va bo'sh joylar deb ataladi. Bu yorqin bilan generatsiya qilingan elektronlar va bo'sh joylar silitsium kristalda yagona qilib elektrik energiya ishlab chiqarishni imkonli emas. Ushbu maqsadga boshqa qo'shimcha mekanizm kerak bo'ladi.

Agar silitsiumga fosfor kabi beshvalent impurtitet qo'shiladi, unda har bir beshvalent fosfor atomining to'rtta valent elektroni kovalent bog'lamlar orqali yaqin joylashgan silitsium atomlari bilan ulanadi, va bepul qolgan beshinchi valent elektron kovalent bog'lam yaratish imkoniyati yo'q.

Bu beshinchi elektron ota atomiga nisbatan ozroq bog'langan. Komnata haroratida kristalning ichidagi termodinamik energiya bu relativ ozroq bog'langan beshinchi elektronlarni ota fosfor atomidan ajratishga yetarli. Beshinchi elektron ota fosfor atomidan ajratilganda, fosfor atomi o'zgaruvchan musbat ionga aylanadi. Ajratilgan elektron bepul bo'lib, lekin kristalda qayta ulanish uchun to'liq emas kovalent bog'lam yoki bo'sh joy mavjud emas. Ushbu bepul elektronlar yarim tovushli kristalda doimiy elektrik aralashni ta'minlashga tayyor. Bepul elektronlar soni aniq teng musbat fosfor ionlari soniga teng bo'lgan holda, shuning uchun jismoning elektrik neutral bo'lishi mumkin. Impurtitetlarni yarim tovushli materialga qo'shish prosessi doping deb ataladi, va qo'shilgan impurtitetlar dopantlar deb ataladi. Beshvalent dopantlar, ularning beshinchi bepul elektronini yarim tovushli kristalga beradi, ular donorlar deb ataladi. Donor impurtitetlari bilan dopedlangan yarim tovushli materiallar negativ tovushli yoki n-tur yarim tovushli materiallar deb ataladi, chunki ularning bepul elektronlari negativ tolovga ega.

Boshqa qismda, agar beshvalent fosfor atomlaringa o'rnab trivalent impurtitet atomlari, masalan boron, yarim tovushli kristalga qo'shiladi, aksincha turdagi yarim tovushli material yaratiladi. Bu holatda, kristal reshetkasidagi ba'zi silitsium atomlari boron atomlari bilan almashtiriladi, ya'ni boron atomlari silitsium atomlari joyini egallaydi. Boron atomining uchta valent elektroni uchta yaqin silitsium atomlari bilan kovalent bog'lam yaratish uchun ulanadi. Bu holatda, har bir boron atomi uchun silitsium atomi bor, uning to'rtinchi valent elektroni uchun yaqin valent elektron topa olmaydi va shuning uchun to'liq kovalent bog'lam yaratish mumkin emas. Demak, bu silitsium atomlari to'rtinchi valent elektroni bo'sh joy qoldiradi va bu bo'sh joy elektronni olishga tayyorgarlik qiladi.

Bu bo'sh joy konseptual ravishda musbat bo'sh joy deb ataladi. Trivalent impurtitet bilan dopedlangan yarim tovushli materialda, ko'plab kovalent bog'lamlar o'zaro buziladi va boshqa kovalent bog'lamlarni to'ldirish uchun ishlatiladi. Bir bog'lam buzilganda, uni ichidagi bo'sh joy yaratiladi. Bir bog'lam to'ldirilganda, uni ichidagi bo'sh joy ortiqcha bo'lib qoladi. Shunday qilib, bir bo'sh joy o'z ichidagi bo'sh joy bilan o'zaro almashtiriladi. Bu holatda, bo'sh joylar yarim tovushli kristal ichida bepul harakat qilishi mumkin. Har bir bo'sh joy elektronni qabul qilishi mumkin, demak, trivalent impurtitetlar qabulchilar deb ataladi va ular bilan dopedlangan yarim tovushli materiallar musbat tovushli yoki p-tur yarim tovushli materiallar deb ataladi.

N-tur yarim tovushli materialda asosan bepul elektronlar manfiy tolovni ta'minlaydi, p-tur yarim tovushli materialda esa asosan bo'sh joylar musbat tolovni ta'minlaydi. Shuning uchun, n-tur yarim tovushli materialda bepul elektronlar va p-tur yarim tovushli materialda bo'sh joylar mos ravishda "ko'proq ro'yxatda" deb ataladi.

N-tur va p-tur material orasida doimiy potentsial barjer mavjud. Bu potentsial barjer fotovoltaik yoki quyosh elementi ishlashi uchun zarur. N-tur yarim tovushli material va p-tur yarim tovushli material bir-biriga qo'yilganda, n-tur materialning kontak sathiga yaqin bo'lgan bepul elektronlar p-tur materialning yaqin bo'lgan bo'sh joylari bilan o'zaro reaksiya qiladi. Bepul elektronlar, shuningdek, n-tur materialning kontak sathiga yaqin bo'lgan valent elektronlari ham kovalent bog'lamlardan chiqib, p-tur materialning yaqin bo'lgan bo'sh joylari bilan reaksiya qiladi. Kovalent bog'lamlar buzilganda, n-tur materialning kontak sathiga yaqin bo'lgan joylarda bo'sh joylar yaratiladi. Demak, kontak zonasida, p-tur materialdagi bo'sh joylar rekombinatsiya orqali yo'qoladi, aksincha, n-tur materialning kontak sathiga yaqin bo'lgan joylarda bo'sh joylar paydo bo'ladi. Bu holat bo'sh joylar p-turdan n-turga o'tishiga o'xshaydi. Shunday qilib, n-tur yarim tovushli material va p-tur yarim tovushli material bir-biriga qo'yilganda, elektronlar n-turdan p-turga, bo'sh joylar esa p-turdan n-turga o'tadi. Bu jarayon tez amalga oshiriladi, lekin doimiy emas. Ba'zi paytda, kontak sathiga yaqin bo'lgan p-tur yarim tovushli materialning ichida musbat tolov (ko'proq elektron) qatlam va n-tur yarim tovushli materialning kontak sathiga yaqin bo'lgan joylarda manfiy tolov (musbat ionlar) qatlam paydo bo'ladi. Ushbu tolov qatlamlarining balandligi cheklangan darajaga yetadi, lekin keyinroq elektronlar n-turdan p-turga o'tishni davom ettirmaydi. Bu sababli, n-tur yarim tovushli materialning elektronlari p-tur yarim tovushli materialga o'tishga urinayotganda, ular n-tur yarim tovushli materialning ichida yetarli balandlikdagi musbat ionlar qatlamiga tugunadi va uni kesib o'tmaydi. O'xshash ravishda, bo'sh joylar p-turdan n-turga o'tishni davom ettirmaydi. Bo'sh joylar p-tur yarim tovushli materialning ichida manfiy tolov qatlamidan o'tishga urinayotganda, ular elektronlar bilan rekombinatsiya qiladi va n-tur sohasiga o'tishni davom ettirmaydi.

Boshqacha qilib aytganda, p-tur tomonidagi manfiy tolov qatlam va n-tur tomonidagi musbat tolov qatlam birgalikda, zaryad donalarining bir tomondan boshqa tomonga o'tishiga qarshi keluvchi barjer yaratadi. Shunday qilib, p-tur sohadagi bo'sh joylar n-tur sohasiga kirishga ruxsat etilmaydi. Musbat va manfiy tolov qatlamlari orasida elektr maydon bo'ladi va bu maydon "depleks maydoni" deb ataladi.

Endi silitsium kristalga qayraylik. Yorqin nurlar kristalga tushganda, nurlarning qanday qismini kristal o'tkazadi va natijada, ba'zi valent elektronlar aktivlashtirilib, kovalent bog'lamlardan chiqib, bepul elektron-va bo'sh joy juftligi yaratadi.

Agar yorqin n-tur yarim tovushli materialga tushsa, yorqin bilan generatsiya qilingan elektron-va bo'sh joy juftligidagi elektronlar depleks maydoni tomonidan rad etilish orqali p-sohaga o'ta olmaydi. Aksincha, yorqin bilan generatsiya qilingan bo'sh joylar depleks maydoni tomonidan tortilish orqali depleks sohaga o'tadi, bu yerda ular elektronlar bilan rekombinatsiya qiladi va p-sohadagi valent elektronlar tomonidan elektronlar kompensatsiya qilinadi. Shunday qilib, yorqin bilan generatsiya qilingan bo'sh joylar p-sohaga o'tadi, lekin ular n-tur sohaga qayta o'ta olmaydi, chunki potentsial barjer tomonidan rad etiladi.

Manfiy tolov (yorqin bilan generatsiya qilingan elektronlar) bir tomondan, musbat tolov (yorqin bilan generatsiya qilingan bo'sh joylar) aksincha tomondan elementga o'tkazilganda, elementning ikki tomoni orasida potentsial farq paydo bo'ladi. Bu potentsial farq tipik holda 0.5 V. Shunday qilib, fotovoltaik elementlar yoki quyosh elementlari potentsial farqni ishlab chiqaradi.

Eslatma: Asl matnni hurmat bilan, yaxshi maqolalar ulashishga layiq, agar huquqlar buzilsa, iltimos, o'chirish uchun bog'laning.