„Efekt fotowoltaiczny” to podstawowy proces fizyczny, w którym ogniwo fotowoltaiczne przekształca światło słoneczne w elektryczność. Światło słoneczne składa się z fotonów lub cząstek energii słonecznej. Fotony te zawierają różne ilości energii odpowiadające różnym długościom fal widma słonecznego.
Gdy fotony uderzą w ogniwo fotowoltaiczne, mogą zostać odbite lub zaabsorbowane lub mogą przejść przez nie. Tylko absorbowane fotony wytwarzają elektryczność. Kiedy tak się dzieje, energia fotonu jest przenoszona do elektronu w atomie komórki (który w rzeczywistości jest półprzewodnik).
Dzięki nowo odkrytej energii elektron jest w stanie uciec z normalnej pozycji związanej z tym atomem i stać się częścią prądu w obwodzie elektrycznym. Po opuszczeniu tej pozycji elektron powoduje powstanie „dziury”. Specjalne właściwości elektryczne ogniwa fotowoltaicznego - wbudowane pole elektryczne - zapewniają napięcie potrzebne do napędzania prądu przez obciążenie zewnętrzne (takie jak żarówka).
Aby indukować pole elektryczne w ogniwie fotowoltaicznym, dwa oddzielne półprzewodniki są ze sobą połączone. Rodzaje półprzewodników „p” i „n” odpowiadają „dodatnim” i „ujemnemu” ze względu na ich obfitość dziur lub elektronów (dodatkowe elektrony tworzą typ „n”, ponieważ elektron faktycznie ma ujemny opłata).
Chociaż oba materiały są elektrycznie obojętne, krzem typu n ma nadmiar elektronów, a krzem typu p ma nadmiar otworów. Sandwiczenie ich razem tworzy złącze p / n na ich interfejsie, tworząc w ten sposób pole elektryczne.
Gdy półprzewodniki typu p i typu n są połączone razem, nadmiar elektronów w materiale typu n przepływa do typu p, a tym samym otwory są zwalniane podczas tego procesu do typu n. (Pojęcie ruchu dziury przypomina trochę patrzenie na bąbelek w cieczy. Chociaż faktycznie porusza się ciecz, łatwiej jest opisać ruch bąbla poruszającego się w przeciwnym kierunku.) Przez ten przepływ elektronów i dziur powoduje, że dwa półprzewodniki działają jak bateria, tworząc pole elektryczne na powierzchni, w której się spotykają (znane jako "węzeł"). To pole powoduje, że elektrony wyskakują z półprzewodnika na powierzchnię i udostępniają je dla obwodu elektrycznego. W tym samym czasie dziury poruszają się w przeciwnym kierunku, w kierunku powierzchni dodatniej, gdzie czekają na nadchodzące elektrony.
W ogniwie PV fotony są absorbowane w warstwie p. Bardzo ważne jest „dostrojenie” tej warstwy do właściwości nadchodzących fotonów, aby pochłonąć jak najwięcej, a tym samym uwolnić jak najwięcej elektronów. Kolejnym wyzwaniem jest powstrzymanie elektronów przed zetknięciem się z dziurami i „rekombinacją” z nimi, zanim będą mogły uciec z komórki.
Aby to zrobić, projektujemy materiał tak, aby elektrony zostały uwolnione jak najbliżej złącza, tak aby pole elektryczne może pomóc w przesłaniu ich przez warstwę „przewodzącą” (warstwa n) i na zewnątrz do elektryczności obwód. Maksymalizując wszystkie te cechy, poprawiamy wydajność konwersji * ogniwa fotowoltaicznego.
Aby stworzyć wydajne ogniwo słoneczne, staramy się maksymalizować absorpcję, minimalizować odbicie i rekombinację, a tym samym maksymalizować przewodnictwo.
Najczęstszym sposobem wytwarzania materiału krzemowego typu p lub n jest dodawanie elementu, który ma dodatkowy elektron lub który nie ma elektronu. W krzemie stosujemy proces o nazwie „doping”.
Jako przykład użyjemy krzemu, ponieważ krzem krystaliczny był materiałem półprzewodnikowym stosowanym w najwcześniejszych udanych urządzeniach fotowoltaicznych, nadal jest najczęściej stosowanym materiałem fotowoltaicznym i chociaż inne materiały i projekty PV wykorzystują efekt PV na nieco inne sposoby, wiedza o tym, jak działa on w krystalicznym krzemie, pozwala nam zrozumieć, jak działa we wszystkich urządzeniach
Jak pokazano na tym uproszczonym schemacie powyżej, krzem ma 14 elektronów. Cztery elektrony, które krążą wokół jądra w najbardziej oddalonym lub „walencyjnym” poziomie energii, są przekazywane, przyjmowane lub dzielone z innymi atomami.
Cała materia składa się z atomów. Z kolei atomy składają się z dodatnio naładowanych protonów, ujemnie naładowanych elektronów i neutralnych neutronów. Protony i neutrony, które są w przybliżeniu jednakowej wielkości, stanowią ściśle upakowane centralne „jądro” atomu, w którym znajduje się prawie cała masa atomu. O wiele lżejsze elektrony krążą wokół jądra z bardzo dużymi prędkościami. Chociaż atom zbudowany jest z przeciwnie naładowanych cząstek, jego ogólny ładunek jest neutralny, ponieważ zawiera taką samą liczbę dodatnich protonów i ujemnych elektronów.
Elektrony krążą wokół jądra w różnych odległościach, w zależności od ich poziomu energii; elektron o mniejszej orbicie energii blisko jądra, podczas gdy jedna z większych energii krąży dalej. Elektrony znajdujące się najdalej od jądra oddziałują z atomami sąsiednich atomów, aby określić sposób powstawania struktur stałych.
Atom krzemu ma 14 elektronów, ale ich naturalny układ orbitalny pozwala na przekazanie, przyjęcie lub współdzielenie tylko czterech zewnętrznych atomów z innymi atomami. Te cztery zewnętrzne elektrony, zwane elektronami „walencyjnymi”, odgrywają ważną rolę w efekcie fotowoltaicznym.
Duża liczba atomów krzemu poprzez elektrony walencyjne może łączyć się ze sobą, tworząc kryształ. W krystalicznej substancji stałej każdy atom krzemu zwykle dzieli jeden z czterech elektronów walencyjnych w wiązaniu „kowalencyjnym” z każdym z czterech sąsiadujących atomów krzemu. Ciało stałe składa się zatem z podstawowych jednostek pięciu atomów krzemu: pierwotnego atomu i czterech innych atomów, z którymi dzieli swoje elektrony walencyjne. W podstawowej jednostce krystalicznej stałej krzemowej atom krzemu dzieli każdy z czterech elektronów walencyjnych z każdym z czterech sąsiednich atomów.
Zatem stały kryształ krzemu składa się z regularnej serii jednostek pięciu atomów krzemu. Ten regularny, stały układ atomów krzemu jest znany jako „sieć krystaliczna”.
Proces „domieszkowania” wprowadza atom innego pierwiastka do kryształu krzemu, aby zmienić jego właściwości elektryczne. Domieszka ma trzy lub pięć elektronów walencyjnych, w przeciwieństwie do czterech krzemu.
Atomy fosforu, które mają pięć elektronów walencyjnych, są stosowane do domieszkowania krzemu typu n (ponieważ fosfor zapewnia swój piąty, wolny elektron).
Atom fosforu zajmuje to samo miejsce w sieci krystalicznej, które poprzednio zajmował atom krzemu, który zastąpił. Cztery z elektronów walencyjnych przejmują obowiązki wiązania czterech krzemowych elektronów walencyjnych, które zastąpiły. Ale piąty elektron walencyjny pozostaje wolny, bez zobowiązań związanych. Gdy wiele atomów fosforu zastępuje krzem w krysztale, dostępnych jest wiele wolnych elektronów.
Zastąpienie atomu fosforu (pięcioma elektronami walencyjnymi) atomem krzemu w krysztale krzemu pozostawia dodatkowy, niezwiązany elektron, który względnie swobodnie porusza się po krysztale.
Najczęstszą metodą domieszkowania jest pokrycie wierzchu warstwy krzemu fosforem, a następnie podgrzanie powierzchni. Pozwala to atomom fosforu przenikać do krzemu. Następnie obniża się temperaturę, aby szybkość dyfuzji spadła do zera. Inne metody wprowadzania fosforu do krzemu obejmują dyfuzję gazową, ciekłą domieszkę proces natryskiwania i technika, w której jony fosforu są precyzyjnie wbijane w powierzchnię krzem.
Oczywiście krzem typu n nie może sam tworzyć pola elektrycznego; Konieczne jest również zmodyfikowanie krzemu, aby uzyskać przeciwne właściwości elektryczne. Tak więc bor, który ma trzy elektrony walencyjne, jest stosowany do domieszkowania krzemu typu p. Bor jest wprowadzany podczas przetwarzania krzemu, gdzie krzem jest oczyszczany do zastosowania w urządzeniach PV. Gdy atom boru przyjmuje pozycję w sieci krystalicznej poprzednio zajmowanej przez atom krzemu, w wiązaniu brakuje elektronu (innymi słowy dodatkowa dziura).
Podobnie jak krzem, wszystkie materiały fotowoltaiczne muszą zostać przetworzone w konfiguracje typu p i typu n, aby stworzyć niezbędne pole elektryczne, które charakteryzuje ogniwo fotowoltaiczne. Ale robi się to na wiele różnych sposobów, w zależności od właściwości materiału. Na przykład, amorficzny krzem unikalna struktura sprawia, że niezbędna jest wewnętrzna warstwa (lub warstwa i). Ta niedomieszkowana warstwa amorficznego krzemu mieści się między warstwami typu n i typu p, tworząc tak zwany projekt „p-i-n”.
Polikrystaliczny cienkie powłoki, takie jak dislenek miedziowo-indowy (CuInSe2) i tellurek kadmu (CdTe), stanowią doskonałą obietnicę dla ogniw PV. Ale tych materiałów nie można po prostu domieszkować, aby utworzyć warstwy n i p. Zamiast tego do utworzenia tych warstw stosuje się warstwy różnych materiałów. Na przykład warstwa „okienkowa” siarczku kadmu lub podobnego materiału jest używana do zapewnienia dodatkowych elektronów niezbędnych do nadania mu typu n. CuInSe2 może być sam w sobie typu p, podczas gdy CdTe korzysta z warstwy typu p wykonanej z materiału takiego jak tellurek cynku (ZnTe).
Arsenku galu (GaAs) jest podobnie modyfikowany, zwykle za pomocą indu, fosforu lub glinu, w celu wytworzenia szerokiej gamy materiałów typu n i p.
* Wydajność konwersji ogniwa fotowoltaicznego to proporcja energii słonecznej, którą ogniwo przekształca w energię elektryczną. Jest to bardzo ważne przy omawianiu urządzeń fotowoltaicznych, ponieważ poprawa tej wydajności ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia konkurencyjności energii fotowoltaicznej z bardziej tradycyjnymi źródłami energii (np. Paliwami kopalnymi). Oczywiście, jeśli jeden wydajny panel słoneczny może zapewnić tyle samo energii, co dwa mniej wydajne panele, wówczas koszt tej energii (nie wspominając o wymaganej przestrzeni) zostanie zmniejszony. Dla porównania, najwcześniejsze urządzenia fotowoltaiczne przekształciły około 1% -2% energii słonecznej w energię elektryczną. Dzisiejsze urządzenia fotowoltaiczne przetwarzają 7–17% energii świetlnej na energię elektryczną. Oczywiście drugą stroną równania są pieniądze, które kosztuje wyprodukowanie urządzeń fotowoltaicznych. Zostało to również poprawione na przestrzeni lat. W rzeczywistości dzisiejsze systemy fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną za ułamek kosztów wczesnych systemów fotowoltaicznych.