"Fotonaponski učinak" je osnovni fizički proces kroz koji PV ćelija pretvara sunčevu svjetlost u električnu energiju. Sunčeva svjetlost sastoji se od fotona, odnosno čestica solarne energije. Ovi fotoni sadrže različite količine energije koje odgovaraju različitim valnim duljinama solarnog spektra.
Kad fotoni udariju u PV ćeliju, mogu se reflektirati ili apsorbirati ili mogu proći ravno kroz. Samo apsorbirani fotoni stvaraju električnu energiju. Kad se to dogodi, energija fotona prenosi se u atom u stanici (što je zapravo a poluprovodnik).
S novom pronađenom energijom, elektron je u mogućnosti pobjeći iz svog normalnog položaja povezanog s tim atomom, kako bi postao dio struje u električnom krugu. Napuštanjem ovog položaja, elektron izaziva stvaranje "rupe". Posebna električna svojstva PV ćelije - ugrađeno električno polje - daju napon potreban za pokretanje struje kroz vanjsko opterećenje (poput žarulje).
Da bi se induciralo električno polje unutar PV ćelije, dva odvojena poluvodiča zajedno se brusi. Tip "p" i "n" poluvodiča odgovara "pozitivnom" i "negativnom" zbog obilja rupa ili elektrona (dodatni elektroni čine "n" tip, jer elektron zapravo ima negativ naplatiti).
Iako su oba materijala električno neutralna, silicij n-tipa ima višak elektrona, a p-silicij ima višak rupa. Sendvič ovih spojeva stvara p / n spoj na njihovom sučelju, stvarajući tako električno polje.
Kada su poluvodiči p-tipa i n-tipa zajedno nabijeni, višak elektrona u materijalu n-tipa teče u p-tip, a rupe koje su se tijekom ovog postupka ispraznile dovode do n-tipa. (Koncept kretanja rupa nešto je poput gledanja mjehurića u tekućini. Iako se tekućina zapravo kreće, lakše je opisati gibanje mjehurića dok se kreće u suprotnom smjeru.) Kroz protok elektrona i rupa, dva poluvodiča djeluju kao baterija, stvarajući električno polje na površini gdje se sastaju (poznato kao "Junction"). To polje uzrokuje iskakanje elektrona iz poluvodiča prema površini i stavlja ih na raspolaganje za električni krug. U isto vrijeme, rupe se kreću u suprotnom smjeru, prema pozitivnoj površini, gdje čekaju dolazak elektrona.
U PV ćeliji fotoni se apsorbiraju u p sloju. Vrlo je važno "prilagoditi" ovaj sloj svojstvima dolaznih fotona kako bi apsorbirali što više i na taj način oslobodili što više elektrona. Drugi je izazov spriječiti da se elektroni susreću s rupama i „ponovno se kombiniraju“ s njima prije nego što mogu pobjeći iz stanice.
Da bismo to učinili, materijal oblikujemo tako da se elektroni oslobode što bliže spojnici, tako da električno polje može im pomoći slanjem kroz sloj "provodljivosti" (n sloj) i van u električno sklop. Maksimizirajući sve ove karakteristike, poboljšavamo učinkovitost pretvorbe * PV ćelije.
Da bismo napravili učinkovitu solarnu ćeliju, trudimo se maksimalno apsorbirati, minimizirati refleksiju i rekombinaciju i na taj način maksimizirati provodljivost.
Najčešći način izrade silikonskog materijala p-tipa ili n-tipa je dodavanje elementa koji ima dodatni elektron ili mu nedostaje elektron. U silicijumu koristimo postupak nazvan "doping".
Koristit ćemo silikon kao primjer, jer je kristalni silicij bio poluvodički materijal koji se koristio u najranijim uspješnim PV uređajima, to je još uvijek najčešće korišteni PV materijal i, iako drugi PV materijali i dizajni koriste PV efekt na malo drugačije načine, znajući kako efekt djeluje u kristalnom silicijumu daje nam osnovno razumijevanje kako djeluje na svim uređajima
Kao što je prikazano u ovom pojednostavljenom dijagramu, silicij ima 14 elektrona. Četiri elektrona koji orbitiraju oko jezgre u najudaljenijoj ili "valentnoj" energetskoj razini daju se, prihvaćaju ili dijele s drugim atomima.
Sva je materija sastavljena od atoma. Atomi se pak sastoje od pozitivno nabijenih protona, negativno nabijenih elektrona i neutralnih neutrona. Protoni i neutroni, koji su približno jednake veličine, čine usko nabijeno središnje "jezgro" atoma, gdje se nalazi gotovo sva masa atoma. Mnogo lakši elektroni kruže oko jezgre vrlo velikim brzinama. Iako je atom izgrađen od nasuprot nabijenih čestica, njegov ukupni naboj je neutralan jer sadrži jednak broj pozitivnih protona i negativnih elektrona.
Elektroni kruže oko jezgre na različitim udaljenostima, ovisno o njihovoj energetskoj razini; elektron s manje energije orbituje blizu jezgre, dok jedna veća energija orbitira dalje. Elektroni koji su najdalji od jezgre uzajamno djeluju s onima susjednih atoma kako bi odredili način na koji se formiraju čvrste strukture.
Atom silicijuma ima 14 elektrona, ali njihov prirodni orbitalni raspored omogućava da se samo četiri vanjska od njih daju, prihvate ili dijele s drugim atomima. Ta vanjska četiri elektrona, nazvana "valentni" elektroni, igraju važnu ulogu u fotonaponskom učinku.
Veliki broj atoma silicija, putem njihovih valentnih elektrona, može se povezati zajedno u tvorbu kristala. U kristalnoj krutini, svaki atom silicijuma obično dijeli jedan od svoja četiri valentna elektrona u "kovalentnoj" vezi sa svakim od četiri susjedna atoma silicija. Čvrsta tvar se tada sastoji od osnovnih jedinica od pet atoma silicija: izvorni atom plus četiri ostala atoma s kojima dijeli svoje valencijske elektrone. U osnovnoj jedinici kristalne silikonske krute tvari, atom silicija dijeli svaki od svoja četiri valentna elektrona sa svakim od četiri susjedna atoma.
Kruti silicijski kristal sastoji se od pravilnog niza jedinica od pet atoma silicija. Ovaj pravilan, fiksni raspored atoma silicija poznat je kao "kristalna rešetka".
Proces "dopinga" uvodi atom drugog elementa u kristal silicijuma da bi promijenio njegova električna svojstva. Dopant ima tri ili pet valentnih elektrona, za razliku od četiri silicijuma.
Atomi fosfora, koji imaju pet valentnih elektrona, koriste se za doping silicija n-tipa (jer fosfor pruža svoj peti, slobodan, elektron).
Atom fosfora zauzima isto mjesto u kristalnoj rešetki koji je prethodno zauzimao atom silicija koji je zamijenio. Četiri njegova valentna elektrona preuzimaju obvezu povezivanja četiriju valenčnih elektrona koji su zamijenili. Ali peti valentni elektron ostaje slobodan, bez obvezujućih odgovornosti. Kad se brojni atomi fosfora zamijene silicijem u kristalu, postaju dostupni mnogi slobodni elektroni.
Zamjena atoma fosfora (s pet valentnih elektrona) za atom silicija u kristalu silicijuma ostavlja dodatni, nevezani elektron, koji se relativno slobodno može kretati oko kristala.
Najčešća metoda dopinga je premazati vrh sloja silicija fosforom, a zatim zagrijati površinu. To omogućava da se atomi fosfora difuzuju u silicij. Temperatura se zatim spušta tako da brzina difuzije pada na nulu. Ostale metode uvođenja fosfora u silicij uključuju difuziju plinova, tekući dodatak postupak raspršivanja i tehnika u kojoj se fosforni ioni tačno ubacuju u površinu polja silicij.
Naravno, silicij n-tipa ne može sam formirati električno polje; Također je potrebno imati neki izmijenjeni silicij da bi imali suprotno električna svojstva. Dakle, bor, koji ima tri valentna elektrona, koristi se za doping silicija p. Bor se uvodi tijekom prerade silicija, gdje se silicij pročišćava za upotrebu u PV uređajima. Kad atom bora zauzme položaj u kristalnoj rešetki koji je prethodno bio zauzet atomom silicijuma, postoji veza koja nedostaje elektron (drugim riječima, dodatna rupa).
Kao i silicij, svi PV materijali moraju biti izrađeni u p-tip i n-vrstu konfiguracije da bi se stvorilo potrebno električno polje koje karakterizira PV ćeliju. Ali to se provodi na više različitih načina, ovisno o karakteristikama materijala. Na primjer, amorfni silicij jedinstvena struktura čini nužni unutarnji sloj (ili i sloj). Ovaj nedopustivi sloj amorfnog silicija uklapa se između slojeva n-tipa i p-tipa i tvori ono što se naziva "p-i-n" dizajnom.
polycrystalline tanki filmovi poput bakren-indiijevog diselenida (CuInSe2) i kadmij-telurid (CdTe) pokazuju veliko obećanje za PV stanice. Ali ti se materijali ne mogu jednostavno dopirati i stvarati slojeve n i p. Umjesto toga, za stvaranje tih slojeva koriste se slojevi različitih materijala. Na primjer, "prozorski" sloj kadmij sulfida ili sličnog materijala koristi se za dobivanje dodatnih elektrona potrebnih za dobivanje n-tipa. CuInSe2 može biti izrađen p-tipa, dok CdTe ima koristi od p-tipa sloja koji je napravljen od materijala poput cinkov telurid (ZnTe).
Galijev arsenid (GaAs) na sličan je način modificiran, obično s indijumom, fosforom ili aluminijom kako bi se dobio širok raspon materijala n-i p-tipa.
* Učinkovitost pretvorbe PV ćelije udio je energije sunčeve svjetlosti koju stanica pretvara u električnu energiju. To je vrlo važno pri raspravi o PV uređajima, jer je poboljšavanje ove učinkovitosti neophodno za postizanje konkurentnosti PV energije s tradicionalnijim izvorima energije (npr. Fosilnim gorivima). Naravno, ako jedan učinkovit solarni panel može dati toliko energije kao dva manje učinkovita panela, tada će se troškovi te energije (da ne spominjemo potreban prostor) smanjiti. Za usporedbu, najraniji PV uređaji pretvaraju oko 1% -2% energije sunčeve svjetlosti u električnu. Današnji PV uređaji pretvaraju 7% -17% svjetlosne energije u električnu. Naravno, druga strana jednadžbe je novac koji košta izradu PV uređaja. To se poboljšavalo i tijekom godina. U stvari, današnji PV sustavi proizvode električnu energiju samo djelić troškova ranih PV sustava.