Το "φωτοβολταϊκό αποτέλεσμα" είναι η βασική φυσική διαδικασία μέσω της οποίας ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρισμό. Το ηλιακό φως αποτελείται από φωτόνια ή σωματίδια ηλιακής ενέργειας. Αυτά τα φωτόνια περιέχουν διάφορες ποσότητες ενέργειας που αντιστοιχούν στα διαφορετικά μήκη κύματος του ηλιακού φάσματος.
Όταν τα φωτόνια χτυπάνε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο, μπορεί να ανακλάται ή να απορροφάται ή μπορεί να περάσει κατευθείαν. Μόνο τα απορροφούμενα φωτόνια παράγουν ηλεκτρισμό. Όταν συμβεί αυτό, η ενέργεια του φωτονίου μεταφέρεται σε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο του κυττάρου (το οποίο στην πραγματικότητα είναι α ημιαγωγός).
Με την νέα του ενέργεια, το ηλεκτρόνιο μπορεί να ξεφύγει από την κανονική του θέση που σχετίζεται με αυτό το άτομο για να γίνει μέρος του ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Αφήνοντας αυτή τη θέση, το ηλεκτρόνιο δημιουργεί μια «τρύπα». Οι ειδικές ηλεκτρικές ιδιότητες του φωτοβολταϊκού στοιχείου - ένα ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο - παρέχουν την τάση που απαιτείται για την οδήγηση του ρεύματος μέσω εξωτερικού φορτίου (όπως ένας λαμπτήρας).
Για την επαγωγή του ηλεκτρικού πεδίου μέσα σε ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο, δύο ξεχωριστοί ημιαγωγοί συγκολλούνται μεταξύ τους. Οι τύποι ημιαγωγών "ρ" και "η" αντιστοιχούν σε "θετικές" και "αρνητικές" λόγω της αφθονίας τους των οπών ή των ηλεκτρονίων (τα επιπλέον ηλεκτρόνια κάνουν έναν τύπο "n" επειδή ένα ηλεκτρόνιο έχει στην πραγματικότητα αρνητικό χρέωση).
Αν και τα δύο υλικά είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, το πυρίτιο τύπου ν έχει πλεόνασμα ηλεκτρονίων και το πυρίτιο τύπου ρ έχει υπερβολικές οπές. Η συνένωση αυτών των στοιχείων δημιουργεί μια διασταύρωση p / n στη διεπαφή τους, δημιουργώντας έτσι ένα ηλεκτρικό πεδίο.
Όταν οι ημιαγωγοί τύπου τύπου ρ και τύπου η περιβάλλονται μεταξύ τους, τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου ν ρέουν προς τον τύπο ρ και οι οπές που εκκενώνονται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας ρέουν προς τον τύπο η. (Η ιδέα της κίνησης μιας τρύπας είναι κάπως σαν να κοιτάς μια φούσκα σε ένα υγρό. Αν και είναι το υγρό που κινείται πραγματικά, είναι πιο εύκολο να περιγράψουμε την κίνηση της φούσκας καθώς κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση.) Μέσω αυτή η ροή ηλεκτρονίων και οπών, οι δύο ημιαγωγοί λειτουργούν ως μπαταρία, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο στην επιφάνεια που συναντούν (γνωστή ως "διασταύρωση"). Αυτό το πεδίο προκαλεί τα ηλεκτρόνια να πηδούν από το ημιαγωγό προς την επιφάνεια και να τα κάνουν διαθέσιμα για το ηλεκτρικό κύκλωμα. Την ίδια στιγμή, οι τρύπες κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση, προς τη θετική επιφάνεια, όπου περιμένουν τα εισερχόμενα ηλεκτρόνια.
Σε ένα Φ / Β κύτταρο, τα φωτόνια απορροφώνται στο στρώμα ρ. Είναι πολύ σημαντικό να "συντονιστείτε" αυτό το στρώμα με τις ιδιότητες των εισερχόμενων φωτονίων να απορροφήσουν όσο το δυνατόν περισσότερα και έτσι να απελευθερώσουν όσο το δυνατόν περισσότερα ηλεκτρόνια. Μια άλλη πρόκληση είναι να κρατήσουμε τα ηλεκτρόνια να συναντηθούν με τρύπες και να "ανασυνδυαστούν" μαζί τους πριν μπορέσουν να ξεφύγουν από την κυψέλη.
Για να γίνει αυτό, σχεδιάζουμε το υλικό έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να απελευθερώνονται όσο το δυνατόν πιο κοντά στη διασταύρωση, έτσι ώστε το ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να τους βοηθήσει να τα στείλουν μέσω του στρώματος "αγωγιμότητας" (το στρώμα n) και έξω από το ηλεκτρικό κύκλωμα. Με τη μεγιστοποίηση όλων αυτών των χαρακτηριστικών, βελτιώνουμε την αποδοτικότητα μετατροπής * του φωτοβολταϊκού κυττάρου.
Για να δημιουργήσουμε ένα αποδοτικό ηλιακό κύτταρο, προσπαθούμε να μεγιστοποιήσουμε την απορρόφηση, να ελαχιστοποιήσουμε την αντανάκλαση και τον ανασυνδυασμό, και έτσι να μεγιστοποιήσουμε την αγωγιμότητα.
Ο πιο συνηθισμένος τρόπος κατασκευής υλικού τύπου π ή πυριτίου τύπου ν είναι να προσθέσετε ένα στοιχείο που έχει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο ή λείπει ένα ηλεκτρόνιο. Στο πυρίτιο, χρησιμοποιούμε μια διαδικασία που λέγεται "ντόπινγκ".
Θα χρησιμοποιήσουμε το πυρίτιο ως παράδειγμα επειδή το κρυσταλλικό πυρίτιο ήταν το υλικό ημιαγωγού που χρησιμοποιήθηκε στις πρώτες επιτυχημένες φωτοβολταϊκές συσκευές, είναι ακόμα το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο φωτοβολταϊκό υλικό και, αν και άλλα φωτοβολταϊκά υλικά και σχέδια εκμεταλλεύονται το φωτοβολταϊκό αποτέλεσμα με ελαφρώς διαφορετικούς τρόπους, γνωρίζοντας πώς λειτουργεί το αποτέλεσμα σε κρυσταλλικό πυρίτιο, μας δίνει μια βασική κατανόηση του τρόπου λειτουργίας σε όλες τις συσκευές
Όπως απεικονίζεται σε αυτό το απλοποιημένο διάγραμμα παραπάνω, το πυρίτιο έχει 14 ηλεκτρόνια. Τα τέσσερα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα στο εξωτερικό ή το "σθένος", ενεργειακό επίπεδο δίδονται, γίνονται δεκτά από ή μοιράζονται με άλλα άτομα.
Όλη η ύλη αποτελείται από άτομα. Τα άτομα, με τη σειρά τους, αποτελούνται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και ουδέτερα νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα οποία είναι περίπου ίσου μεγέθους, αποτελούν τον κεντρικό πυρήνα του ατόμου, όπου βρίσκεται σχεδόν ολόκληρη η μάζα του ατόμου. Τα πολύ ελαφρύτερα ηλεκτρόνια τροχίζουν τον πυρήνα σε πολύ υψηλές ταχύτητες. Αν και το άτομο είναι χτισμένο από αντίθετα φορτισμένα σωματίδια, το συνολικό του φορτίο είναι ουδέτερο επειδή περιέχει ίσο αριθμό θετικών πρωτονίων και αρνητικών ηλεκτρονίων.
Τα ηλεκτρόνια στρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε διαφορετικές αποστάσεις, ανάλογα με την ενεργειακή τους στάθμη. ένα ηλεκτρόνιο με λιγότερες ενεργειακές τροχιές κοντά στον πυρήνα, ενώ μία από τις μεγαλύτερες τροχιές ενέργειας απέχει περισσότερο. Τα ηλεκτρόνια μακρύτερα από τον πυρήνα αλληλεπιδρούν με αυτά των γειτονικών ατόμων για να καθορίσουν τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται οι στερεές δομές.
Το άτομο πυριτίου έχει 14 ηλεκτρόνια, αλλά η φυσική τους τροχιακή διάταξη επιτρέπει μόνο στις τέσσερις από αυτές να δίδονται, να γίνονται αποδεκτές από ή να μοιράζονται με άλλα άτομα. Αυτά τα τέσσερα εξωτερικά ηλεκτρόνια, που ονομάζονται ηλεκτρόνια "σθένους", παίζουν σημαντικό ρόλο στην φωτοβολταϊκή επίδραση.
Μεγάλοι αριθμοί ατόμων πυριτίου, μέσω των ηλεκτρονίων σθένους τους, μπορούν να συνδεθούν μαζί για να σχηματίσουν έναν κρύσταλλο. Σε ένα κρυσταλλικό στερεό, κάθε άτομο πυριτίου κανονικά μοιράζεται ένα από τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους του σε ένα "ομοιοπολικό" δεσμό με κάθε ένα από τα τέσσερα γειτονικά άτομα πυριτίου. Το στερεό, λοιπόν, αποτελείται από βασικές μονάδες πέντε ατόμων πυριτίου: το αρχικό άτομο συν τα τέσσερα άλλα άτομα με τα οποία μοιράζεται τα ηλεκτρόνια του σθένους. Στη βασική μονάδα ενός στερεού κρυσταλλικού πυριτίου, ένα άτομο πυριτίου μοιράζεται κάθε ένα από τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους του με κάθε ένα από τα τέσσερα γειτονικά άτομα.
Ο στερεός κρύσταλλος πυριτίου, στη συνέχεια, αποτελείται από μια κανονική σειρά μονάδων πέντε ατόμων πυριτίου. Αυτή η τακτική, σταθερή διάταξη ατόμων πυριτίου είναι γνωστή ως το "κρυσταλλικό πλέγμα".
Η διαδικασία "ντόπινγκ" εισάγει ένα άτομο άλλου στοιχείου μέσα στον κρύσταλλο πυριτίου για να αλλάξει τις ηλεκτρικές του ιδιότητες. Το dopant έχει είτε τρία είτε πέντε ηλεκτρόνια σθένους, σε αντίθεση με τα τέσσερα πυριτίου.
Τα άτομα φωσφόρου, τα οποία έχουν πέντε ηλεκτρόνια σθένους, χρησιμοποιούνται για ντόπινγκ ν-τύπου πυριτίου (επειδή ο φώσφορος παρέχει το πέμπτο, ελεύθερο, ηλεκτρόνιο).
Ένα άτομο φωσφόρου καταλαμβάνει την ίδια θέση στο κρυσταλλικό πλέγμα που είχε καταληφθεί προηγουμένως από το άτομο πυριτίου που αντικατέστησε. Τέσσερα από τα ηλεκτρόνια σθένους του αναλαμβάνουν τις ευθύνες δέσμευσης των τεσσάρων ηλεκτρονίων σθένους σιλικόνης που αντικατέστησαν. Αλλά το πέμπτο ηλεκτρόνιο παραμένει ελεύθερο, χωρίς να φέρει ευθύνη. Όταν πολλά άτομα φωσφόρου υποκαθιστούν το πυρίτιο σε έναν κρύσταλλο, υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια διαθέσιμα.
Αντικαθιστώντας ένα άτομο φωσφόρου (με πέντε ηλεκτρόνια σθένους) για ένα άτομο πυριτίου σε ένα πυρίτιο κρύσταλλο αφήνει ένα επιπλέον, μη συνδεδεμένο ηλεκτρόνιο το οποίο είναι σχετικά ελεύθερο να κινηθεί γύρω από τον κρύσταλλο.
Η πιο κοινή μέθοδος ντόπινγκ είναι να επικαλύψει την κορυφή ενός στρώματος πυριτίου με φωσφόρο και στη συνέχεια να θερμάνει την επιφάνεια. Αυτό επιτρέπει στα άτομα φωσφόρου να διαχέονται στο πυρίτιο. Η θερμοκρασία στη συνέχεια χαμηλώνεται έτσι ώστε ο ρυθμός διάχυσης να πέσει στο μηδέν. Άλλες μέθοδοι εισαγωγής φωσφόρου στο πυρίτιο περιλαμβάνουν την αέρια διάχυση, ένα υγρό μέσο προσρόφησης διαδικασία ψεκασμού και μια τεχνική στην οποία τα ιόντα φωσφόρου οδηγούνται ακριβώς στην επιφάνεια του πυρίτιο.
Φυσικά, το ν-τύπου πυρίτιο δεν μπορεί να σχηματίσει το ηλεκτρικό πεδίο από μόνο του. είναι επίσης απαραίτητο να έχει κάποια μεταβολή του πυριτίου να έχει τις αντίθετες ηλεκτρικές ιδιότητες. Έτσι, το βόριο, το οποίο έχει τρία ηλεκτρόνια σθένους, χρησιμοποιείται για το ντόπινγκ πυριτίου τύπου ντόπινγκ. Το βόριο εισάγεται κατά την επεξεργασία πυριτίου, όπου το πυρίτιο καθαρίζεται για χρήση σε φωτοβολταϊκές συσκευές. Όταν ένα άτομο βορίου αναλαμβάνει μια θέση στο κρυσταλλικό πλέγμα που είχε προηγουμένως καταλάβει ένα άτομο πυριτίου, υπάρχει ένας δεσμός που λείπει από ένα ηλεκτρόνιο (με άλλα λόγια μια επιπλέον οπή).
Όπως και το πυρίτιο, όλα τα φωτοβολταϊκά υλικά πρέπει να κατασκευάζονται σε διαμορφώσεις τύπου ρ και τύπου ν για τη δημιουργία του απαραίτητου ηλεκτρικού πεδίου που χαρακτηρίζει ένα φωτοβολταϊκό κύτταρο. Αλλά αυτό γίνεται με διάφορους τρόπους, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του υλικού. Για παράδειγμα, άμορφο πυρίτιο η μοναδική δομή καθιστά απαραίτητο ένα εσωτερικό στρώμα (ή i στρώμα). Αυτό το ανοιχτό στρώμα άμορφου πυριτίου ταιριάζει μεταξύ των στρώσεων τύπου ν και τύπου ρ για να σχηματίσει αυτό που ονομάζεται σχεδιασμός "ρ-ί-η".
Πολυκρυσταλλική οι λεπτές μεμβράνες όπως το diselenide ινδίου του χαλκού (CuInSe2) και το τελλουρίδιο του καδμίου (CdTe) δείχνουν μεγάλη υπόσχεση για τα φωτοβολταϊκά κύτταρα. Αλλά αυτά τα υλικά δεν μπορούν απλώς να επικαλυφθούν για να σχηματίσουν στρώματα η και ρ. Αντ 'αυτού, για τη διαμόρφωση αυτών των στρωμάτων χρησιμοποιούνται στρώματα διαφορετικών υλικών. Για παράδειγμα, ένα στρώμα "παραθύρου" από σουλφίδιο του καδμίου ή παρόμοιο υλικό χρησιμοποιείται για να παράσχει τα επιπλέον ηλεκτρόνια που είναι απαραίτητα για να γίνει η-τύπου. Το CuInSe2 μπορεί να κατασκευάζεται το ίδιο από το π, ενώ το CdTe ωφελείται από ένα στρώμα τύπου ρ που κατασκευάζεται από ένα υλικό όπως το τελλουρίδιο του ψευδαργύρου (ZnTe).
Αρσενικό γάλλιο (GaAs) τροποποιείται παρομοίως, συνήθως με ίνδιο, φωσφόρο ή αλουμίνιο, για να παραχθεί ένα ευρύ φάσμα υλικών τύπου η και ρ.
* Η αποδοτικότητα μετατροπής ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου είναι το ποσοστό της ενέργειας του ηλιακού φωτός που το κύτταρο μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό είναι πολύ σημαντικό όταν συζητάμε για φωτοβολταϊκές συσκευές, επειδή η βελτίωση αυτής της απόδοσης είναι ζωτικής σημασίας για την ανταγωνιστικότητα της φωτοβολταϊκής ενέργειας με πιο παραδοσιακές πηγές ενέργειας (π.χ. ορυκτά καύσιμα). Φυσικά, εάν ένα αποτελεσματικό ηλιακό πάνελ μπορεί να παρέχει τόσο περισσότερη ενέργεια όσο δύο λιγότερο αποτελεσματικά πάνελ, τότε το κόστος αυτής της ενέργειας (για να μην αναφέρουμε τον απαιτούμενο χώρο) θα μειωθεί. Για σύγκριση, οι πρώτες φωτοβολταϊκές συσκευές μετατράπηκαν περίπου 1% -2% στην ενέργεια του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι σημερινές φωτοβολταϊκές συσκευές μετατρέπουν το 7% -17% της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Φυσικά, η άλλη πλευρά της εξίσωσης είναι τα χρήματα που κοστίζουν για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών συσκευών. Αυτό έχει βελτιωθεί και με τα χρόνια. Στην πραγματικότητα, τα σημερινά φωτοβολταϊκά συστήματα παράγουν ηλεκτρισμό σε ένα κλάσμα του κόστους των πρώιμων φωτοβολταϊκών συστημάτων.