Den "fotovoltaiske effekt" er den grundlæggende fysiske proces, gennem hvilken en PV-celle omdanner sollys til elektricitet. Sollys består af fotoner eller partikler af solenergi. Disse fotoner indeholder forskellige mængder energi svarende til de forskellige bølgelængder af solspektret.
Når fotoner rammer en PV-celle, kan de reflekteres eller optages, eller de kan passere lige igennem. Kun de absorberede fotoner producerer elektricitet. Når dette sker, overføres fotonens energi til et elektron i et atom i cellen (som faktisk er en halvleder).
Med sin nyfundne energi er elektronet i stand til at flygte fra sin normale position, der er forbundet med dette atom, for at blive en del af strømmen i et elektrisk kredsløb. Ved at forlade denne position får elektronet et "hul" til at dannes. Specielle elektriske egenskaber ved PV-cellen - et indbygget elektrisk felt - giver den nødvendige spænding til at føre strømmen gennem en ekstern belastning (f.eks. En pære).
For at inducere det elektriske felt inden i en PV-celle er to separate halvledere klemt sammen. "P" og "n" typer af halvledere svarer til "positive" og "negative" på grund af deres overflod af huller eller elektroner (ekstraelektronerne er en "n" type, fordi en elektron faktisk har en negativ oplade).
Selvom begge materialer er elektrisk neutrale, har silicium af n-type overskydende elektroner, og silicium af p-type har overskydende huller. Sandwiching disse sammen skaber et p / n-kryds ved deres grænseflade og skaber derved et elektrisk felt.
Når halvlederne af p-typen og n-typen er klemt sammen, strømmer de overskydende elektroner i materialet af n-typen til p-typen, og hullerne derved ledes under denne proces til strømmen til n-typen. (Begrebet et hul i bevægelse er lidt som at se på en boble i en væske. Selvom det er væsken, der faktisk bevæger sig, er det lettere at beskrive boblens bevægelse, når den bevæger sig i den modsatte retning.) Gennem denne elektron- og hulstrømning fungerer de to halvledere som et batteri og skaber et elektrisk felt på overfladen, hvor de mødes (kendt som "Junction"). Det er dette felt, der får elektronerne til at hoppe fra halvlederen ud mod overfladen og gøre dem tilgængelige for det elektriske kredsløb. På samme tid bevæger hullerne sig i den modsatte retning, mod den positive overflade, hvor de venter på indkommende elektroner.
I en PV-celle absorberes fotoner i p-laget. Det er meget vigtigt at "indstille" dette lag til egenskaberne for de indkommende fotoner for at absorbere så mange som muligt og derved frigøre så mange elektroner som muligt. En anden udfordring er at forhindre, at elektronerne mødes med huller og "rekombinerer" med dem, før de kan undslippe cellen.
For at gøre dette designer vi materialet, så elektronerne frigøres så tæt på krydset som muligt, så det det elektriske felt kan hjælpe med at sende dem gennem det "ledende" lag (n-laget) og ud i det elektriske kredsløb. Ved at maksimere alle disse egenskaber forbedrer vi konverteringseffektiviteten * af PV-cellen.
For at gøre en effektiv solcelle forsøger vi at maksimere absorption, minimere refleksion og rekombination og derved maksimere ledning.
Den mest almindelige måde at fremstille siliciummateriale af p-type eller n-type er at tilføje et element, der har en ekstra elektron eller mangler et elektron. I silicium bruger vi en proces, der kaldes "doping".
Vi bruger silicium som et eksempel, fordi krystallinsk silicium var det halvleder materiale, der blev brugt i de tidligste succesrige PV-enheder, det er stadig det mest anvendte PV-materiale, og selvom andre PV-materialer og design udnytter PV-effekten på lidt forskellige måder, idet vi ved, hvordan effekten fungerer i krystallinsk silicium, giver os en grundlæggende forståelse af, hvordan den fungerer i alle enheder
Som afbildet i dette forenklede diagram ovenfor har silicium 14 elektroner. De fire elektroner, der kredser omkring kernen i det yderste eller "valens" -energiniveau gives, accepteres fra eller deles med andre atomer.
Alt stof er sammensat af atomer. Atomer er til gengæld sammensat af positivt ladede protoner, negativt ladede elektroner og neutrale neutroner. Protonerne og neutronerne, der er af omtrent lige stor størrelse, udgør den tætpakkede centrale "kerne" af atomet, hvor næsten hele atomens masse er placeret. De meget lettere elektroner kredser omkring kernen ved meget høje hastigheder. Selvom atomet er bygget af modsat ladede partikler, er dets samlede ladning neutral, fordi det indeholder et lige så stort antal positive protoner og negative elektroner.
Elektronerne kredser omkring kernen i forskellige afstande, afhængigt af deres energiniveau; en elektron med mindre energi kredsløb tæt på kernen, mens en af større energi kredser længere væk. Elektronerne, der er længst væk fra kernen, interagerer med dem fra nabokommende atomer for at bestemme, hvordan faste strukturer dannes.
Siliciumatomet har 14 elektroner, men deres naturlige orbitalarrangement tillader kun, at de ydre fire af disse gives, accepteres fra eller deles med andre atomer. Disse ydre fire elektroner, kaldet "valence" -elektroner, spiller en vigtig rolle i den fotovoltaiske effekt.
Et stort antal siliciumatomer kan gennem deres valenselektroner binde sig sammen og danne en krystal. I et krystallinsk fast stof deler hvert siliciumatom normalt en af sine fire valenselektroner i en "kovalent" binding med hvert af fire tilstødende siliciumatomer. Det faste stof består derefter af basisenheder på fem siliciumatomer: det originale atom plus de fire andre atomer, som det deler sine valenselektroner med. I baseenheden i et krystallinsk siliciumfast stof deler et siliciumatom hver af dets fire valenselektroner med hvert af fire tilstødende atomer.
Den faste siliciumkrystall består derefter af en regelmæssig række enheder med fem siliciumatomer. Dette regelmæssige, faste arrangement af siliciumatomer er kendt som "krystalgitteret."
Processen med "doping" introducerer et atom af et andet element i siliciumkrystallen for at ændre dets elektriske egenskaber. Dopemidlet har enten tre eller fem valenselektroner i modsætning til siliciums fire.
Fosforatomer, som har fem valenselektroner, bruges til doping af n-type silicium (fordi fosfor giver dets femte, frie elektron).
Et fosforatom indtager det samme sted i krystalgitteret, der tidligere blev besat af det siliciumatom, det erstattede. Fire af dens valenselektroner overtager bindingsansvaret for de fire siliciumvalenselektroner, som de erstattede. Men den femte valenselektron forbliver fri uden bindingsansvar. Når adskillige phosphoratomer erstattes med silicium i en krystal, bliver mange frie elektroner tilgængelige.
Ved at erstatte et fosforatom (med fem valenselektroner) for et siliciumatom i en siliciumkrystall efterlades et ekstra, ubundet elektron, der er relativt frit at bevæge sig rundt i krystallen.
Den mest almindelige metode til doping er at overtrække toppen af et lag silicium med fosfor og derefter varme overfladen. Dette gør det muligt for fosforatomer at diffundere i silicium. Derefter sænkes temperaturen, så diffusionshastigheden falder til nul. Andre metoder til introduktion af fosfor i silicium inkluderer gasdiffusion, et flydende dopingmiddel spray-on-proces og en teknik, hvor fosforioner drives nøjagtigt ind på overfladen af silicium.
Naturligvis kan n-type silicium ikke danne det elektriske felt af sig selv; Det er også nødvendigt at ændre noget silicium for at have de modsatte elektriske egenskaber. Så bor, der har tre valenselektroner, bruges til doping af p-type silicium. Bor introduceres under siliciumbehandling, hvor silicium renses til anvendelse i PV-enheder. Når et boratom indtager en position i krystalgitteret, der tidligere var optaget af et siliciumatom, mangler der en binding, der mangler et elektron (med andre ord et ekstra hul).
Som silicium skal alle PV-materialer laves til p-type- og n-type-konfigurationer for at skabe det nødvendige elektriske felt, der karakteriserer en PV-celle. Men dette gøres på en række forskellige måder, afhængigt af materialets egenskaber. For eksempel, amorf silicium unik struktur gør et iboende lag (eller i lag) nødvendigt. Dette udopede lag af amorf silicium passer mellem n-typen og p-typen lag for at danne det, der kaldes et "p-i-n" design.
polykrystallinske tynde film som kobberindiumdiselenid (CuInSe2) og cadmium Tellurid (CdTe) viser stort løfte for PV-celler. Men disse materialer kan ikke blot dopes til dannelse af n- og p-lag. I stedet anvendes lag af forskellige materialer til at danne disse lag. F.eks. Bruges et "vindueslag" af cadmiumsulfid eller lignende materiale til at tilvejebringe de ekstra elektroner, der er nødvendige for at gøre det til n-type. CuInSe2 kan selv fremstilles af p-type, hvorimod CdTe drager fordel af et lag af p-type lavet af et materiale som zink-tellurid (ZnTe).
Galliumarsenid (GaAs) er modificeret på lignende måde, sædvanligvis med indium, fosfor eller aluminium, for at fremstille en lang række n- og p-type materialer.
* Konverteringseffektiviteten af en PV-celle er den andel af sollys, som cellen konverterer til elektrisk energi. Dette er meget vigtigt, når vi diskuterer PV-enheder, fordi forbedring af denne effektivitet er vigtig for at gøre PV-energi konkurrencedygtig med mere traditionelle energikilder (f.eks. Fossile brændstoffer). Hvis et effektivt solcellepanel kan levere så meget energi som to mindre effektive paneler, reduceres naturligvis omkostningerne til den energi (for ikke at nævne den krævede plads). Til sammenligning konverterede de tidligste PV-enheder ca. 1% -2% sollys til elektrisk energi. Dagens PV-enheder konverterer 7% -17% af lysenergi til elektrisk energi. Selvfølgelig er den anden side af ligningen de penge, det koster at fremstille PV-enheder. Dette er også forbedret gennem årene. Faktisk producerer nutidige PV-systemer elektricitet til en brøkdel af prisen for tidlige PV-systemer.