พลังงานแสงอาทิตย์ - ผลโฟโตโวลเทอิก

จำเป็นอย่างยิ่งที่เราต้องมีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับ PN Junctions ก่อนที่จะเรียนรู้แนวคิดของ Photovoltaic Effect

ทางแยก PN

PN Junction ถูกคิดค้นโดยห้องทดลองของ Russell of Bell ในสหรัฐอเมริกา มันหมายถึงจุดเชื่อมต่อระหว่างเซมิคอนดักเตอร์สองตัวนั่นคือ P-Type และ N-type รัสเซลค้นพบว่าสารกึ่งตัวนำทั้งสองมีพฤติกรรมที่น่าสนใจที่จุดเชื่อมต่อที่ทำให้เกิดการนำในทิศทางเดียวเท่านั้น

สารกึ่งตัวนำชนิด P มีรู (ไม่มีอิเล็กตรอน) เป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่ สารกึ่งตัวนำ Ntype มีอิเล็กตรอนเป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่

ในแผนภาพด้านบนที่ทางแยก -

  • ประจุไฟฟ้าพิเศษจะกระจายไปยังทางแยกที่อยู่ตรงข้ามกันทำให้ประจุบวกที่อยู่ทางด้าน p ได้รับประจุลบและทำให้เป็นกลาง

  • ในทำนองเดียวกันเชิงลบที่ด้าน N จะได้รับประจุบวกและทำให้เป็นกลาง

  • รูปแบบนี้จะสร้างมาร์จิ้น (m) ที่ด้านใดด้านหนึ่งซึ่งค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมจะหมดลงเพื่อทำให้พื้นที่นี้เป็นกลางและอยู่ในสภาวะสมดุล ภูมิภาคนี้เรียกว่าไฟล์depletion layer และไม่มีการเรียกเก็บเงินจากด้านใดด้านหนึ่ง

  • ชั้นพร่องมีอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นและต้องใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกเพื่อเอาชนะมัน กระบวนการนี้เรียกว่าbiasing.

  • เพื่อดำเนินการใน forward biasingแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ควรปั๊มอิเล็กตรอน (ลบ) จากทางแยก n ไปทางด้าน p ของทางแยก การไหลอย่างต่อเนื่องของกระแสไฟฟ้าจะรับประกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่องเพื่อเติมเต็มรูดังนั้นการนำไปสู่ชั้นพร่อง

  • การย้อนกลับของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในกระบวนการที่เรียกว่า reverse biasingทำให้รูและอิเล็กตรอนลอยออกจากกันทำให้ชั้นการพร่องเพิ่มขึ้น

  • โหลดภายนอกเชื่อมต่อกับเซลล์แสงอาทิตย์โดยมีขั้วบวกเชื่อมต่อกับเวเฟอร์ด้าน N และขั้วลบกับเวเฟอร์ด้าน P ความต่างศักย์ถูกสร้างขึ้นโดยphotovoltaic ผลกระทบ

กระแสที่ได้รับจากอิเล็กตรอนที่ถูกแทนที่โดยโฟตอนไม่เพียงพอที่จะให้ความต่างศักย์อย่างมีนัยสำคัญ กระแสไฟฟ้าจึงถูกกักไว้เพื่อทำให้เกิดการชนกันต่อไปและปล่อยอิเล็กตรอนออกมามากขึ้น

เอฟเฟกต์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

เซลล์แสงอาทิตย์ใช้แนวคิดของทางแยก pn ในการจับพลังงานแสงอาทิตย์ รูปต่อไปนี้แสดงระดับเฟอร์มิของเซมิคอนดักเตอร์

เพื่อให้เซมิคอนดักเตอร์เป็นตัวนำอิเล็กตรอนจะต้องข้ามช่องว่างของพลังงานจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนเหล่านี้ต้องการพลังงานบางส่วนเพื่อขับไล่และเคลื่อนที่ข้ามช่องว่างความจุ ในเซลล์แสงอาทิตย์โฟตอนที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์จะให้พลังงานที่จำเป็นในการเอาชนะช่องว่าง

เหตุการณ์โฟตอนบนพื้นผิวอาจถูกดูดซึมสะท้อนหรือส่งผ่าน หากสะท้อนหรือถ่ายทอดออกไปก็ไม่ได้ช่วยขับอิเล็กตรอนออกไปและจะสูญเปล่า ดังนั้นโฟตอนจะต้องถูกดูดซับเพื่อให้พลังงานที่จำเป็นในการขับไล่และเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนข้ามช่องว่างความจุ

ถ้า E phเป็นพลังงานของโฟตอนและ EG เป็นพลังงานเกณฑ์ที่จะข้ามช่องว่างพลังงานผลลัพธ์ที่เป็นไปได้เมื่อโฟตอนกระทบพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำคือ -

  • Eph < EG - ในกรณีนี้โฟตอนไม่ถึงเกณฑ์และจะผ่านไป

  • Eph = EG - โฟตอนมีเกณฑ์ที่แน่นอนในการขับไล่อิเล็กตรอนและสร้างคู่อิเล็กตรอนแบบรู

  • Eph > EG- พลังงานโฟตอนเกินเกณฑ์ สิ่งนี้จะสร้างคู่อิเล็กตรอน - รูแม้ว่าจะเป็นของเสียเนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่กลับลงมาตามช่องว่างของพลังงาน

การดูดซับรังสีดวงอาทิตย์

ในกรณีส่วนใหญ่ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมของเซมิคอนดักเตอร์จะใช้เพื่อกำหนดประสิทธิภาพในการดูดซับพลังงานจากดวงอาทิตย์ ค่าสัมประสิทธิ์ต่ำหมายถึงการดูดซึมที่ไม่ดี ดังนั้นโฟตอนจะไปได้ไกลเพียงใดจึงเป็นปัจจัยของทั้งค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืน ( α ) และความยาวคลื่นของรังสี ( λ )

$$ \ alpha \: = \: \ frac {4 \ pi k} {\ lambda} $$

โดยที่kคือสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์