Solarenergie - Photovoltaik-Effekt
Es ist wichtig, dass wir einige Grundkenntnisse über PN Junctions haben, bevor wir das Konzept des Photovoltaik-Effekts erlernen.
Die PN-Kreuzung
Die PN Junction wurde von Russell of Bell Laboratories in den USA erfunden. Es bezieht sich auf einen Übergang zwischen zwei Halbleitern, dh P-Typ und N-Typ. Russell entdeckte, dass die beiden Halbleiter an der Verbindungsstelle ein interessantes Verhalten aufweisen, das eine Leitung nur in eine Richtung verursacht.
Ein Halbleiter vom P-Typ hat Löcher (Abwesenheit von Elektronen) als Mehrheitsladungsträger. Ein Halbleiter vom N-Typ hat Elektronen als Mehrheitsladungsträger.
In dem oben angegebenen Diagramm an der Kreuzung -
Zusätzliche Ladungen diffundieren zu den gegenüberliegenden Übergängen, so dass die positiven auf der p-Seite negative Ladungen erhalten und diese neutralisieren.
Ebenso erhalten die Negative auf der N-Seite positive Ladungen und neutralisieren sie.
Dies bildet einen Rand (m) auf beiden Seiten, wo die zusätzliche Ladung aufgebraucht wird, um diesen Bereich neutral und in einem Gleichgewichtszustand zu machen. Diese Region wird als bezeichnetdepletion layer und keine Ladung von beiden Seiten kreuzt.
Die Verarmungsschicht bietet eine Potentialbarriere und benötigt daher eine externe Spannung, um diese zu überwinden. Dieser Vorgang wird aufgerufenbiasing.
Zu dirigieren, in forward biasingsollte die angelegte Spannung Elektronen (negativ) vom n-Übergang zur p-Seite des Übergangs pumpen. Ein kontinuierlicher Stromfluss garantiert eine konstante Bewegung der Elektronen, um Löcher zu füllen, und leitet somit über die Verarmungsschicht.
Umkehren der angelegten Spannung in einem Prozess namens reverse biasingbewirkt, dass Löcher und Elektronen auseinander driften, wodurch die Verarmungsschicht erhöht wird.
Eine externe Last wird an eine Solarzelle angeschlossen, deren positiver Anschluss mit den N-seitigen Wafern und dessen negativer Anschluss mit den P-seitigen Wafern verbunden ist. Eine Potentialdifferenz entsteht durchphotovoltaic bewirken.
Der Strom, der von durch Photonen verdrängten Elektronen erhalten wird, reicht nicht aus, um eine signifikante Potentialdifferenz zu ergeben. Der Strom ist daher enthalten, um weitere Kollisionen zu verursachen und mehr Elektronen freizusetzen.
Photovoltaik-Effekt
Eine Solarzelle nutzt das Konzept eines pn-Übergangs zur Erfassung der Sonnenenergie. Die folgende Abbildung zeigt den Fermi-Pegel eines Halbleiters.
Damit ein Halbleiter leiten kann, müssen Elektronen die Energielücke vom Valenzband zum Leitungsband durchqueren. Diese Elektronen benötigen etwas Energie, um sich zu verschieben und über die Valenzlücke zu bewegen. In Solarzellen liefern von der Sonne emittierte Photonen die erforderliche Energie, um die Lücke zu überwinden.
Ein auf die Oberfläche einfallendes Photon könnte absorbiert, reflektiert oder durchgelassen werden. Wenn es reflektiert oder übertragen wird, hilft es nicht, ein Elektron zu entfernen, und wird somit verschwendet. Daher muss ein Photon absorbiert werden, um die Energie bereitzustellen, die erforderlich ist, um Elektronen über den Valenzspalt zu verschieben und zu bewegen.
Wenn E ph die Energie eines Photons ist und EG die Schwellenenergie zum Überqueren der Energielücke ist, sind die möglichen Ergebnisse, wenn das Photon auf die Oberfläche eines Halbleiters trifft, -
Eph < EG - In diesem Fall erreicht das Photon nicht die Schwelle und passiert nur.
Eph = EG - Das Photon hat die genaue Schwelle, um ein Elektron zu entfernen und ein Lochelektronenpaar zu erzeugen.
Eph > EG- Die Photonenenergie überschreitet die Schwelle. Dies erzeugt ein Elektron-Loch-Paar, obwohl es eine Verschwendung ist, da sich das Elektron die Energielücke hinunterbewegt.
Absorption von Sonnenstrahlung
In den meisten Fällen wird der Absorptionskoeffizient des Halbleiters verwendet, um die Effizienz der Absorption von Energie von der Sonne zu bestimmen. Ein niedriger Koeffizient bedeutet eine schlechte Absorption. Wie weit ein Photon geht, hängt daher sowohl vom Absorptionskoeffizienten ( α ) als auch von der Wellenlänge der Strahlung ( λ ) ab.
$$ \ alpha \: = \: \ frac {4 \ pi k} {\ lambda} $$
Wobei k der Extinktionskoeffizient ist.