Солнечная энергия - фотоэлектрический эффект
Важно, чтобы у нас были некоторые базовые знания о PN-переходах, прежде чем мы перейдем к изучению концепции фотоэлектрического эффекта.
PN-переход
PN-переход был изобретен Расселом из лабораторий Bell в США. Это соединение между двумя полупроводниками, то есть P-типа и N-типа. Рассел обнаружил, что два полупроводника имеют интересное поведение на стыке, которое вызывает проводимость только в одном направлении.
Полупроводник P-типа имеет дырки (отсутствие электронов) в качестве основных носителей заряда. Полупроводник N-типа имеет электроны в качестве основных носителей заряда.
На схеме, приведенной выше, на стыке -
Дополнительные заряды диффундируют к противоположным переходам, так что положительный на p-стороне получает отрицательные заряды и нейтрализует их.
Точно так же негативы на N-стороне получают положительные заряды и нейтрализуют их.
Это формирует запас (m) с каждой стороны, где истощаются дополнительные заряды, чтобы сделать эту область нейтральной и находящейся в состоянии равновесия. Этот регион называютdepletion layer и никакой заряд с обеих сторон кресты.
Слой обеднения создает потенциальный барьер и, следовательно, требует внешнего напряжения для его преодоления. Этот процесс называетсяbiasing.
Провести в forward biasingприложенное напряжение должно перекачивать электроны (отрицательные) от n-перехода к p-стороне перехода. Непрерывный ток гарантирует постоянное движение электронов для заполнения дырок, следовательно, проводимость через слой обеднения.
Реверсирование приложенного напряжения в процессе, называемом reverse biasing, заставляет дырки и электроны расходиться, увеличивая обедненный слой.
Внешняя нагрузка подключена к солнечному элементу с положительным выводом, подключенным к пластинам на стороне N, а отрицательный вывод - к пластинам на стороне P. Потенциальная разница создаетсяphotovoltaic эффект.
Ток, полученный за счет смещения электронов фотонами, недостаточен для получения значительной разности потенциалов. Таким образом, ток удерживается, чтобы вызвать дальнейшие столкновения и высвободить больше электронов.
Фотоэлектрический эффект
В солнечном элементе используется концепция pn-перехода для улавливания солнечной энергии. На следующем рисунке показан уровень Ферми полупроводника.
Чтобы полупроводник мог проводить, электроны должны пересечь запрещенную зону от валентной зоны до зоны проводимости. Этим электронам требуется некоторая энергия, чтобы сместиться и пересечь валентную щель. В солнечных элементах фотоны, испускаемые Солнцем, обеспечивают необходимую энергию для преодоления разрыва.
Фотон, падающий на поверхность, может быть поглощен, отражен или передан. Если он отражается или проходит, он не помогает выбить электрон и, таким образом, расходуется. Следовательно, фотон должен поглощаться, чтобы обеспечить энергию, необходимую для смещения и перемещения электронов через валентную щель.
Если E ph - это энергия фотона, а EG - это пороговая энергия для пересечения запрещенной зоны, то возможные результаты, когда фотон сталкивается с поверхностью полупроводника, следующие:
Eph < EG - В этом случае фотон не достигнет порога и просто пройдет.
Eph = EG - У фотона есть точный порог, чтобы сместить электрон и создать пару дырочных электронов.
Eph > EG- Энергия фотона превышает пороговую. Это создает пару электрон-дырка, хотя это бесполезная трата, поскольку электрон движется обратно вниз по энергетической щели.
Поглощение солнечного излучения
В большинстве случаев коэффициент поглощения полупроводника используется для определения эффективности поглощения энергии Солнца. Низкий коэффициент означает плохое поглощение. Следовательно, то, как далеко уходит фотон, зависит как от коэффициента поглощения ( α ), так и от длины волны излучения ( λ ).
$$ \ alpha \: = \: \ frac {4 \ pi k} {\ lambda} $$
Где k - коэффициент экстинкции.