"Fotovoltaik etki", bir PV hücresinin güneş ışığını elektriğe dönüştürdüğü temel fiziksel işlemdir. Güneş ışığı fotonlardan veya güneş enerjisi parçacıklarından oluşur. Bu fotonlar, güneş spektrumunun farklı dalga boylarına karşılık gelen çeşitli miktarlarda enerji içerir.
Fotonlar bir PV hücresine çarptığında, yansıtılabilir veya emilebilir veya doğrudan geçebilirler. Sadece emilen fotonlar elektrik üretir. Bu olduğunda, fotonun enerjisi hücrenin bir atomundaki bir elektrona aktarılır (bu aslında bir Yarı iletken).
Yeni keşfedilen enerjisi ile elektron, bir elektrik devresindeki akımın bir parçası olmak için o atomla ilişkili normal konumundan kaçabilir. Bu pozisyondan ayrılarak, elektron bir "delik" oluşmasına neden olur. Dahili bir elektrik alanı olan PV hücresinin özel elektriksel özellikleri, akımı harici bir yükten (ampul gibi) geçirmek için gereken voltajı sağlar.
Bir PV hücresi içindeki elektrik alanını indüklemek için iki ayrı yarı iletken birlikte sandviçlenir. Yarı iletkenlerin "p" ve "n" türleri, bollukları nedeniyle "pozitif" ve "negatif" e karşılık gelir delikler veya elektronlar (ekstra elektronlar "n" tipi yapar çünkü bir elektronun aslında negatif şarj etmek).
Her iki malzeme de elektriksel olarak nötr olmasına rağmen, n-tipi silikon fazla elektrona ve p-tipi silikon fazla deliğe sahiptir. Bunları birlikte sandviçlemek, arayüzlerinde bir p / n bağlantısı oluşturur, böylece bir elektrik alanı oluşturur.
P-tipi ve n-tipi yarı iletkenler birlikte sandviçlendiğinde, n-tipi malzemedeki fazla elektronlar p-tipine akar ve böylece bu işlem sırasında boşaltılan delikler n-tipine akar. (Hareket eden bir delik kavramı, bir sıvıdaki baloncuklara bakmak gibidir. Aslında hareket eden sıvı olmasına rağmen, balonun ters yönde hareket ederken hareketini tanımlamak daha kolaydır.) bu elektron ve delik akışı, iki yarı iletken bir batarya görevi görür ve buluştukları yüzeyde bir elektrik alanı oluşturur ( "Kavşak noktası"). Elektronların yarıiletkenden yüzeye doğru sıçramasına ve elektrik devresi için kullanılabilir olmasına neden olan bu alan. Aynı zamanda, delikler gelen elektronları bekledikleri pozitif yüzeye karşı zıt yönde hareket eder.
Bir PV hücresinde, fotonlar p tabakasında emilir. Mümkün olduğunca fazla emmek ve böylece mümkün olduğunca fazla elektron serbest bırakmak için bu katmanı gelen fotonların özelliklerine "ayarlamak" çok önemlidir. Diğer bir zorluk, elektronların deliklerle buluşmasını ve hücreden kaçmadan önce onlarla "yeniden birleşmesini" önlemektir.
Bunu yapmak için, malzemeyi elektronların kavşağa mümkün olduğunca yakın olacak şekilde tasarlıyoruz, böylece elektrik alanı "iletim" tabakası (n tabakası) ve elektrik içine göndermek yardımcı olabilir devre. Tüm bu özellikleri en üst düzeye çıkararak PV hücresinin dönüşüm verimliliğini * artırıyoruz.
Verimli bir güneş pili yapmak için emilimi en üst düzeye çıkarmaya, yansımayı ve rekombinasyonu en aza indirmeye ve böylece iletimi en üst düzeye çıkarmaya çalışırız.
P-tipi veya n-tipi silikon malzeme yapmanın en yaygın yolu, fazladan bir elektrona veya bir elektrona sahip olmayan bir eleman eklemektir. Silikonda "doping" adı verilen bir süreç kullanıyoruz.
Silikonu örnek olarak kullanacağız çünkü kristalin silikon, en erken başarılı PV cihazlarında kullanılan yarı iletken malzeme olduğu için, hala en yaygın kullanılan PV malzemesidir ve diğer PV malzemeleri ve tasarımları PV efektini biraz farklı şekillerde kullanırlar, etkinin kristal silikonda nasıl çalıştığını bilmek bize tüm cihazlarda nasıl çalıştığı hakkında temel bir anlayış kazandırır.
Yukarıdaki bu basitleştirilmiş şemada gösterildiği gibi, silisyum 14 elektrona sahiptir. En dıştaki çekirdeğin etrafında dönen dört elektron veya "değerlik" enerji seviyesi diğer atomlara verilir, kabul edilir veya diğer atomlarla paylaşılır.
Bütün maddeler atomlardan oluşur. Atomlar sırayla, pozitif yüklü protonlar, negatif yüklü elektronlar ve nötr nötronlardan oluşur. Yaklaşık olarak eşit büyüklükteki protonlar ve nötronlar, atomun kütlesinin hemen hemen hepsinin bulunduğu kapalı paketlenmiş merkezi "çekirdeğini" içerir. Çok daha hafif elektronlar çok yüksek hızlarda çekirdeğin etrafında döner. Atom ters yüklü parçacıklardan yapılmış olmasına rağmen, toplam yükü eşittir çünkü eşit sayıda pozitif proton ve negatif elektron içerir.
Elektronlar, enerji seviyelerine bağlı olarak çekirdeği farklı mesafelerde yörüngede toplarlar; daha az enerjiye sahip bir elektron çekirdeğe yakın yörüngede bulunurken, daha büyük enerjiden biri daha uzağa yörüngede döner. Çekirdekten en uzak olan elektronlar, katı yapıların oluşma biçimini belirlemek için komşu atomlarınkilerle etkileşime girer.
Silikon atomunun 14 elektronu vardır, ancak bunların doğal yörünge düzenleri, bunların sadece dördünün diğer atomlara verilmesini, kabul edilmesini veya diğer atomlarla paylaşılmasını sağlar. "Değerlik" elektronları olarak adlandırılan bu dış dört elektron, fotovoltaik etkide önemli bir rol oynar.
Değerlik elektronları aracılığıyla çok sayıda silikon atomu, bir kristal oluşturmak için birbirine bağlanabilir. Kristalimsi bir katı içinde, her silikon atomu normal olarak dört değerlik elektronundan birini dört komşu silikon atomunun her biriyle "kovalent" bir bağda paylaşır. Katı, daha sonra beş silikon atomunun temel birimlerinden oluşur: orijinal atom artı değerlik elektronlarını paylaştığı diğer dört atom. Bir kristalin silikon katının temel biriminde, bir silikon atomu dört değerlik elektronunun her birini dört komşu atomun her biriyle paylaşır.
Katı silikon kristali, o zaman, beş silikon atomlu düzenli bir dizi birimlerden oluşur. Silikon atomlarının bu düzenli, sabit düzenlemesi "kristal kafes" olarak bilinir.
"Doping" işlemi, elektriksel özelliklerini değiştirmek için silikon kristale başka bir elementin bir atomunu sokar. Katkı maddesi, silikonun dördünün aksine, üç veya beş değerlik elektronuna sahiptir.
Beş değerlik elektronuna sahip fosfor atomları, n-tipi silikonu katmak için kullanılır (çünkü fosfor, beşinci, serbest, elektronunu sağlar).
Bir fosfor atomu, daha önce değiştirdiği silikon atomu tarafından işgal edilen kristal kafes içinde aynı yeri işgal eder. Değerlik elektronlarının dördü, değiştirdikleri dört silikon değerlik elektronunun bağlanma sorumluluklarını devralır. Ancak beşinci değerlik elektronu, hiçbir sorumluluk taşımadan serbest kalır. Bir kristal içindeki silikon için çok sayıda fosfor atomu sübstitüe edildiğinde, birçok serbest elektron kullanılabilir hale gelir.
Bir silikon kristalindeki bir silikon atomu için bir fosfor atomunun (beş değerlik elektronu ile) ikame edilmesi, kristalin etrafında hareket etmekte nispeten serbest olan ekstra, bağlanmamış bir elektron bırakır.
En yaygın doping yöntemi, bir silikon tabakasının üstünü fosfor ile kaplamak ve daha sonra yüzeyi ısıtmaktır. Bu, fosfor atomlarının silisyuma difüze olmasını sağlar. Daha sonra sıcaklık, difüzyon hızı sıfıra düşecek şekilde düşürülür. Fosforun silikon içine sokulmasının diğer yöntemleri arasında sıvı bir katkı maddesi olan gazlı difüzyon bulunmaktadır. püskürtme işlemi ve fosfor iyonlarının tam olarak yüzeyine sürüldüğü bir teknik silikon.
Elbette, n-tipi silikon kendi başına elektrik alanını oluşturamaz; zıt elektriksel özelliklere sahip olması için bazı silikonların değiştirilmesi de gereklidir. Bu nedenle, üç değerlik elektronuna sahip olan bor, p-tipi silikonu katmak için kullanılır. Bor, silikonun PV cihazlarında kullanım için saflaştırıldığı silikon işleme sırasında sokulur. Bir bor atomu, daha önce bir silikon atomu tarafından işgal edilen kristal kafes içinde bir pozisyon aldığında, bir elektronu eksik bir bağ vardır (başka bir deyişle, fazladan bir delik).
Silikon gibi, tüm PV materyalleri bir PV hücresini karakterize eden gerekli elektrik alanını oluşturmak için p-tipi ve n-tipi konfigürasyonlara dönüştürülmelidir. Ancak bu, malzemenin özelliklerine bağlı olarak birkaç farklı yolla yapılır. Örneğin, amorf silikonlar benzersiz yapı, içsel bir katmanı (veya i katmanını) gerekli kılar. Amorf silikonun bu katlanmamış tabakası, "p-i-n" tasarımı olarak adlandırılan tasarımı oluşturmak için n-tipi ve p-tipi tabakalar arasına oturur.
Çok kristalli bakır indiyum diselenid (CuInSe2) ve kadmiyum tellür (CdTe) gibi ince filmler PV hücreleri için büyük umut vaat ediyor. Ancak bu malzemeler n ve p katmanları oluşturmak için basitçe katlanamaz. Bunun yerine, bu katmanları oluşturmak için farklı malzemelerin katmanları kullanılır. Örneğin, n-tipi yapmak için gerekli ekstra elektronları sağlamak için bir kadmiyum sülfit veya benzeri malzemeden bir "pencere" tabakası kullanılır. CuInSe2'nin kendisi p-tipi yapılabilirken CdTe, çinko tellürid (ZnTe) gibi bir malzemeden yapılmış p-tipi bir tabakadan yararlanır.
Galyum arsenit (GaAs), benzer şekilde, genellikle indiyum, fosfor veya alüminyum ile, çok çeşitli n- ve p-tipi malzemeler üretmek üzere modifiye edilir.
* Bir PV hücresinin dönüşüm verimliliği, hücrenin elektrik enerjisine dönüştürdüğü güneş ışığı enerjisinin oranıdır. PV cihazlarını tartışırken bu çok önemlidir, çünkü bu verimliliği artırmak, PV enerjisini daha geleneksel enerji kaynaklarıyla (örn. Fosil yakıtlar) rekabetçi hale getirmek için hayati önem taşır. Doğal olarak, bir verimli güneş paneli daha az verimli iki panel kadar enerji sağlayabilirse, o enerjinin maliyeti (gerekli alandan bahsetmemek gerekirse) azalacaktır. Karşılaştırma için, en erken PV cihazları güneş ışığının yaklaşık% 1 -% 2'sini elektrik enerjisine dönüştürdü. Günümüzün PV cihazları ışık enerjisinin% 7-17'sini elektrik enerjisine dönüştürmektedir. Tabii ki, denklemin diğer tarafı PV cihazlarını üretmek için maliyetidir. Bu, yıllar içinde de düzeldi. Aslında, günümüzün PV sistemleri, erken PV sistemlerinin maliyetinin çok altında elektrik üretmektedir.