"Fotovoltaisk effekt" er den grunnleggende fysiske prosessen som en PV-celle omdanner sollys til strøm. Sollys består av fotoner, eller partikler av solenergi. Disse fotonene inneholder forskjellige mengder energi som tilsvarer de forskjellige bølgelengdene til solspekteret.
Når fotoner rammer en PV-celle, kan de bli reflektert eller absorbert, eller de kan passere rett gjennom. Bare de absorberte fotonene produserer strøm. Når dette skjer, overføres fotonets energi til et elektron i et atom i cellen (som faktisk er en halvledere).
Med sin nyfundne energi er elektronet i stand til å flykte fra sin normale stilling assosiert med atomet for å bli en del av strømmen i en elektrisk krets. Ved å forlate denne posisjonen får elektronet til å dannes et "hull". Spesielle elektriske egenskaper til PV-cellen - et innebygd elektrisk felt - gir spenningen som trengs for å føre strømmen gjennom en ekstern belastning (for eksempel en lyspære).
For å indusere det elektriske feltet i en PV-celle, er to separate halvledere lagd sammen. "P" og "n" typer halvledere tilsvarer "positive" og "negative" på grunn av deres overflod av hull eller elektroner (ekstraelektronene lager en "n" -type fordi et elektron faktisk har et negativt lade).
Selv om begge materialene er elektrisk nøytrale, har silisium av n-typen overskytende elektroner og silisium av p-typen har overflødige hull. Å smøre disse sammen skaper et p / n-kryss ved grensesnittet og skaper derved et elektrisk felt.
Når halvlederne av p-typen og n-typen er klemt sammen, strømmer de overskytende elektronene i n-typen materiale til p-typen, og hullene blir derved fraflyttet under denne prosessen til strømmen til n-typen. (Konseptet med et hull i bevegelse er litt som å se på en boble i en væske. Selv om det er væsken som faktisk beveger seg, er det lettere å beskrive boblenes bevegelse når den beveger seg i motsatt retning.) Gjennom denne elektron- og hullstrømmen, de to halvlederne fungerer som et batteri og skaper et elektrisk felt på overflaten der de møtes (kjent som "kryss"). Det er dette feltet som får elektronene til å hoppe fra halvlederen ut mot overflaten og gjøre dem tilgjengelige for den elektriske kretsen. På samme tid beveger hullene seg i motsatt retning, mot den positive overflaten, der de venter på innkommende elektroner.
I en PV-celle blir fotoner absorbert i p-laget. Det er veldig viktig å "finjustere" dette laget til egenskapene til de innkommende fotonene for å absorbere så mange som mulig og derved frigjøre så mange elektroner som mulig. En annen utfordring er å forhindre at elektronene møter hull og "rekombinerer" dem før de kan unnslippe cellen.
For å gjøre dette, designer vi materialet slik at elektronene blir frigjort så nær krysset som mulig, slik at det elektriske feltet kan bidra til å sende dem gjennom "lednings" -laget (n-laget) og ut i det elektriske krets. Ved å maksimere alle disse egenskapene forbedrer vi konverteringseffektiviteten * til PV-cellen.
For å lage en effektiv solcelle prøver vi å maksimere absorpsjonen, minimere refleksjon og rekombinasjon og derved maksimere ledningen.
Den vanligste måten å lage silisiummateriale av p-type eller n-type er å legge til et element som har et ekstra elektron eller mangler et elektron. I silisium bruker vi en prosess som kalles "doping."
Vi bruker silisium som eksempel fordi krystallinsk silisium var halvledermaterialet som ble brukt i de tidligste vellykkede PV-enhetene, det er fremdeles det mest brukte PV-materialet, og, selv om andre PV-materialer og design utnytter PV-effekten på litt forskjellige måter, og å vite hvordan effekten fungerer i krystallinsk silisium gir oss en grunnleggende forståelse av hvordan den fungerer på alle enheter
Som avbildet i dette forenklede diagrammet over har silisium 14 elektroner. De fire elektronene som går i bane rundt kjernen i det ytterste, eller "valens", energinivået, blir gitt til, akseptert fra eller delt med andre atomer.
All materie er sammensatt av atomer. Atomer er på sin side sammensatt av positivt ladede protoner, negativt ladede elektroner og nøytrale nøytroner. Protonene og nøytronene, som er av omtrent like stor størrelse, utgjør den tettpakkede sentrale "kjernen" av atomet, hvor nesten hele massen til atomet er lokalisert. De mye lettere elektronene går i bane rundt kjernen med meget høye hastigheter. Selv om atomet er bygget fra motsatt ladede partikler, er dets totale ladning nøytralt fordi det inneholder et like antall positive protoner og negative elektroner.
Elektronene går i bane rundt kjernen på forskjellige avstander, avhengig av energinivået; et elektron med mindre energibaner nær kjernen, mens en av større energi går i bane lenger unna. Elektronene lengst fra kjernen samvirker med de fra nabokommunene atomer for å bestemme hvordan faste strukturer blir dannet.
Silisiumatomet har 14 elektroner, men deres naturlige baneregning tillater bare de ytre fire av disse å bli gitt til, akseptert fra eller delt med andre atomer. Disse ytre fire elektronene, kalt "valence" -elektroner, spiller en viktig rolle i den fotovoltaiske effekten.
Stort antall silisiumatomer kan gjennom sine valenselektroner binde seg sammen og danne en krystall. I et krystallinsk fast stoff deler hvert silisiumatom normalt en av sine fire valenselektroner i en "kovalent" binding med hvert av fire naboer silisiumatomer. Det faste stoffet består da av basiseenheter med fem silisiumatomer: det originale atomet pluss de fire andre atomene det deler sine valenselektroner med. I baseenheten til et krystallinsk silisiumfast stoff deler et silisiumatom hver av sine fire valenselektroner med hvert av fire nabomater.
Den faste silisiumkrystallen består da av en vanlig serie med fem silisiumatomer. Dette vanlige, faste arrangementet av silisiumatomer er kjent som "krystallgitteret."
Prosessen med "doping" introduserer et atom av et annet element i silisiumkrystallen for å endre dets elektriske egenskaper. Dopemidlet har enten tre eller fem valenselektroner, i motsetning til silisiums fire.
Fosforatomer, som har fem valenselektroner, brukes til doping av silisium av n-typen (fordi fosfor gir det femte, frie elektronet).
Et fosforatom inntar samme sted i krystallgitteret som tidligere var okkupert av silisiumatomet det erstattet. Fire av dens valenselektroner overtar bindingsansvaret for de fire silisiumvalenselektronene som de erstattet. Men det femte valenselektronet forblir gratis, uten bindingsansvar. Når mange fosforatomer er erstattet med silisium i en krystall, blir mange gratis elektroner tilgjengelige.
Å erstatte et fosforatom (med fem valenselektroner) for et silisiumatom i en silisiumkrystall etterlater et ekstra, ubundet elektron som er relativt fritt for å bevege seg rundt krystallen.
Den vanligste metoden for doping er å belegge toppen av et lag silisium med fosfor og deretter varme overflaten. Dette gjør at fosforatomene kan diffundere i silisiumet. Temperaturen senkes så slik at diffusjonshastigheten synker til null. Andre metoder for innføring av fosfor i silisium inkluderer gassdiffusjon, et flytende dopingmiddel spray-on prosess, og en teknikk der fosforioner drives nøyaktig inn i overflaten av silisium.
Selvfølgelig kan ikke silisium av n-typen danne det elektriske feltet av seg selv; Det er også nødvendig å endre noe silisium for å ha motsatte elektriske egenskaper. Så, bor, som har tre valenselektroner, brukes til doping av silisium av p-type. Bor introduseres under silisiumbehandling, der silisium blir renset for bruk i PV-enheter. Når et boratom inntar en posisjon i krystallgitteret som tidligere var okkupert av et silisiumatom, er det en binding som mangler et elektron (med andre ord et ekstra hull).
I likhet med silisium må alle PV-materialer gjøres til p-type og n-type konfigurasjoner for å skape det nødvendige elektriske feltet som kjennetegner en PV-celle. Men dette gjøres på en rekke forskjellige måter, avhengig av egenskapene til materialet. For eksempel, amorf silisium unik struktur gjør et iboende lag (eller i lag) nødvendig. Dette udopede laget av amorft silisium passer mellom n-typen og p-typen lag for å danne det som kalles en "p-i-n" design.
polykrystallinsk tynne filmer som kobber indium diselenid (CuInSe2) og kadmium tellurid (CdTe) viser store løfter for PV-celler. Men disse materialene kan ikke bare dopes for å danne n og p lag. I stedet brukes lag av forskjellige materialer for å danne disse lagene. For eksempel brukes et "vinduslag" av kadmiumsulfid eller lignende materiale for å tilveiebringe de ekstra elektronene som er nødvendige for å gjøre det til n-type. CuInSe2 kan i seg selv være laget av p-type, mens CdTe drar nytte av et lag av p-type laget av et materiale som sink tellurid (ZnTe).
Galliumarsenid (GaAs) er tilsvarende modifisert, vanligvis med indium, fosfor eller aluminium, for å produsere et bredt spekter av n- og p-type materialer.
* Konverteringseffektiviteten til en PV-celle er andelen sollys energi som cellen konverterer til elektrisk energi. Dette er veldig viktig når vi diskuterer PV-enheter, fordi forbedring av denne effektiviteten er avgjørende for å gjøre PV-energi konkurransedyktig med mer tradisjonelle energikilder (f.eks. Fossile brensler). Hvis ett effektivt solcellepanel kan gi så mye energi som to mindre effektive paneler, vil naturligvis kostnadene for den energien (for ikke å nevne den plassen som kreves) reduseres. Til sammenligning konverterte de tidligste PV-enhetene omtrent 1% -2% av sollys-energien til elektrisk energi. Dagens PV-enheter konverterer 7% -17% av lysenergi til elektrisk energi. Den andre siden av ligningen er selvfølgelig pengene det koster å produsere PV-enhetene. Dette har blitt forbedret med årene. Faktisk produserer dagens PV-systemer strøm til en brøkdel av prisen for tidlige PV-systemer.