Energia słoneczna - efekt fotowoltaiczny
Przed przystąpieniem do poznawania pojęcia efektu fotowoltaicznego konieczne jest posiadanie podstawowej wiedzy na temat połączeń PN.
Węzeł PN
Złącze PN zostało wynalezione przez laboratoria Russell of Bell w USA. Odnosi się do złącza między dwoma półprzewodnikami, to znaczy typu P i typu N. Russell odkrył, że dwa półprzewodniki mają interesujące zachowanie na złączu, które powoduje przewodzenie tylko w jednym kierunku.
Półprzewodnik typu P ma dziury (brak elektronu) jako większość nośników ładunku. Półprzewodnik typu N ma elektrony jako większość nośników ładunku.
Na powyższym schemacie na skrzyżowaniu -
Dodatkowe ładunki dyfundują na przeciwległe złącza tak, że dodatnie po stronie p zyskują ładunki ujemne i neutralizują je.
Podobnie negatywy po stronie N zyskują ładunki dodatnie i neutralizują je.
Tworzy to margines (m) po obu stronach, gdzie dodatkowy ładunek jest zmniejszany, aby uczynić ten region neutralnym i w stanie równowagi. Ten region jest określany jakodepletion layer i nie ma opłat z obu stron krzyże.
Warstwa zubożona stanowi barierę potencjału i dlatego wymaga zewnętrznego napięcia, aby ją pokonać. Ten proces nazywa siębiasing.
Prowadzić, w forward biasing, przyłożone napięcie powinno pompować elektrony (ujemne) ze złącza n w kierunku strony p złącza. Ciągły przepływ prądu gwarantuje stały ruch elektronów w celu wypełnienia dziur, a tym samym przewodzenie przez warstwę zubożenia.
Odwrócenie przyłożonego napięcia w procesie zwanym reverse biasing, powoduje rozchodzenie się dziur i elektronów, zwiększając warstwę zubożenia.
Obciążenie zewnętrzne jest podłączone do ogniwa słonecznego z dodatnim zaciskiem podłączonym do płytek po stronie N i ujemnym zaciskiem do płytek po stronie P. Potencjalna różnica jest tworzona przezphotovoltaic efekt.
Prąd uzyskiwany przez elektrony przemieszczone przez fotony nie jest wystarczający do uzyskania znaczącej różnicy potencjałów. Prąd jest zatem powstrzymywany, aby spowodować dalsze zderzenia i uwolnić więcej elektronów.
Efekt fotowoltaiczny
Ogniwo słoneczne wykorzystuje koncepcję złącza pn do przechwytywania energii słonecznej. Poniższy rysunek przedstawia poziom Fermiego półprzewodnika.
Aby półprzewodnik mógł przewodzić, elektrony muszą pokonać lukę energetyczną od pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Elektrony te wymagają pewnej energii, aby oderwać się i przejść przez lukę walencyjną. W ogniwach słonecznych fotony emitowane przez Słońce dostarczają energii wymaganej do pokonania luki.
Zdarzenie fotonu na powierzchni może zostać pochłonięte, odbite lub przesłane. Jeśli zostanie odbity lub przesłany, nie pomoże usunąć elektronu, a tym samym jest marnowany. Dlatego foton musi zostać zaabsorbowany, aby zapewnić energię potrzebną do wyparcia i przesunięcia elektronów przez szczelinę walencyjną.
Jeśli E ph jest energią fotonu, a EG jest energią progową do przekroczenia przerwy energetycznej, to możliwe wyniki, gdy foton uderza w powierzchnię półprzewodnika, są -
Eph < EG - W tym przypadku foton nie osiągnie progu i po prostu przejdzie.
Eph = EG - Foton ma dokładny próg do wyparcia elektronu i utworzenia pary elektronów w dziurach.
Eph > EG- Energia fotonów przekracza próg. Tworzy to parę elektron-dziura, chociaż jest to strata, ponieważ elektron przemieszcza się z powrotem w dół szczeliny energetycznej.
Absorpcja promieniowania słonecznego
W większości przypadków współczynnik pochłaniania półprzewodnika służy do określenia wydajności pochłaniania energii słonecznej. Niski współczynnik oznacza słabą absorpcję. Dlatego to, jak daleko posuwa się foton, jest czynnikiem zarówno współczynnika absorpcji ( α ), jak i długości fali promieniowania ( λ ).
$$ \ alpha \: = \: \ frac {4 \ pi k} {\ lambda} $$
Gdzie k jest współczynnikiem ekstynkcji.