«Фотоэлектрический эффект» является основным физическим процессом, посредством которого фотоэлемент преобразует солнечный свет в электричество. Солнечный свет состоит из фотонов или частиц солнечной энергии. Эти фотоны содержат различное количество энергии, соответствующее разным длинам волн солнечного спектра.
Когда фотоны попадают в фотоэлемент, они могут отражаться или поглощаться, или они могут проходить сквозь них. Только поглощенные фотоны производят электричество. Когда это происходит, энергия фотона передается электрону в атоме клетки (который на самом деле полупроводник).
С его вновь обретенной энергией электрон может вырваться из своего нормального положения, связанного с этим атомом, чтобы стать частью тока в электрической цепи. Покидая это положение, электрон вызывает образование «дыры». Специальные электрические свойства фотоэлемента - встроенное электрическое поле - обеспечивают напряжение, необходимое для подачи тока через внешнюю нагрузку (например, лампочку).
Чтобы вызвать электрическое поле внутри фотоэлемента, два отдельных полупроводника расположены между собой. Полупроводники "p" и "n" соответствуют "положительным" и "отрицательным" из-за их обилия дырок или электронов (лишние электроны составляют «п» типа, потому что электрон на самом деле имеет отрицательный заряжать).
Хотя оба материала электрически нейтральны, кремний n-типа имеет избыточные электроны, а кремний p-типа имеет избыточные дырки. Объединение их вместе создает p / n-переход на их границе, создавая тем самым электрическое поле.
Когда полупроводники p-типа и n-типа расположены друг над другом, избыточные электроны в материале n-типа перетекают в p-тип, и отверстия, тем самым освобождающиеся во время этого процесса, перетекают в n-тип. (Концепция движения дыры похожа на взгляд на пузырь в жидкости. Хотя на самом деле движется жидкость, легче описать движение пузыря, когда он движется в противоположном направлении.) Через Этот поток электронов и дырок, два полупроводника действуют как батарея, создавая электрическое поле на поверхности, где они встречаются (известный как "Узел"). Именно это поле заставляет электроны прыгать от полупроводника к поверхности и делать их доступными для электрической цепи. В это же время отверстия движутся в противоположном направлении, к положительной поверхности, где они ожидают поступающих электронов.
В фотоэлементе фотоны поглощаются в р-слое. Очень важно «настроить» этот слой на свойства входящих фотонов, чтобы они поглощали как можно больше и тем самым освобождали как можно больше электронов. Другая проблема состоит в том, чтобы не дать электронам встретиться с дырками и «рекомбинировать» с ними, прежде чем они смогут покинуть клетку.
Для этого мы спроектируем материал так, чтобы электроны высвобождались как можно ближе к соединению, чтобы электрическое поле может помочь отправить их через слой «проводимости» (n-слой) и в электрический цепи. Максимизируя все эти характеристики, мы улучшаем эффективность преобразования * фотоэлемента.
Чтобы создать эффективный солнечный элемент, мы стараемся максимизировать поглощение, минимизировать отражение и рекомбинацию и тем самым максимизировать проводимость.
Наиболее распространенным способом изготовления кремниевого материала p-типа или n-типа является добавление элемента, который имеет дополнительный электрон или в котором отсутствует электрон. В кремнии мы используем процесс под названием «допинг».
Мы будем использовать кремний в качестве примера, потому что кристаллический кремний был полупроводниковым материалом, используемым в самых ранних успешных фотоэлектрических устройствах, он все еще является наиболее широко используемым фотоэлектрическим материалом, и, хотя другие фотоэлектрические материалы и конструкции используют эффект фотоэлектрического излучения несколько иным образом, знание того, как этот эффект работает в кристаллическом кремнии, дает нам общее представление о том, как он работает во всех устройствах
Как показано на этой упрощенной схеме выше, кремний имеет 14 электронов. Четыре электрона, которые вращаются вокруг ядра на внешнем, или "валентном", энергетическом уровне, передаются, принимаются или делятся с другими атомами.
Вся материя состоит из атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из положительно заряженных протонов, отрицательно заряженных электронов и нейтральных нейтронов. Протоны и нейтроны примерно одинакового размера составляют плотно упакованное центральное «ядро» атома, где расположена почти вся масса атома. Гораздо более легкие электроны вращаются вокруг ядра с очень высокими скоростями. Хотя атом построен из противоположно заряженных частиц, его общий заряд нейтрален, потому что он содержит одинаковое количество положительных протонов и отрицательных электронов.
Электроны вращаются вокруг ядра на разных расстояниях, в зависимости от их энергетического уровня; электрон с меньшими энергетическими орбитами приближается к ядру, тогда как один из больших энергетических орбит находится дальше. Электроны, наиболее удаленные от ядра, взаимодействуют с электронами соседних атомов, чтобы определить способ образования твердых структур.
Атом кремния имеет 14 электронов, но их естественное орбитальное расположение позволяет только четырем внешним из них быть переданными, принятыми или разделенными с другими атомами. Эти внешние четыре электрона, называемые «валентными» электронами, играют важную роль в фотоэлектрическом эффекте.
Большое количество атомов кремния через свои валентные электроны могут соединяться вместе, образуя кристалл. В кристаллическом твердом теле каждый атом кремния обычно разделяет один из своих четырех валентных электронов в «ковалентной» связи с каждым из четырех соседних атомов кремния. Таким образом, твердое тело состоит из основных единиц из пяти атомов кремния: исходного атома и четырех других атомов, с которыми оно делит свои валентные электроны. В основной единице твердого кристаллического кремния атом кремния делит каждый из своих четырех валентных электронов с каждым из четырех соседних атомов.
Таким образом, твердый кристалл кремния состоит из правильной серии из пяти атомов кремния. Это правильное фиксированное расположение атомов кремния известно как «кристаллическая решетка».
Процесс «легирования» вводит атом другого элемента в кристалл кремния, чтобы изменить его электрические свойства. Добавка имеет три или пять валентных электронов, в отличие от четырех кремниевых.
Атомы фосфора, которые имеют пять валентных электронов, используются для легирования кремния n-типа (поскольку фосфор обеспечивает свой пятый свободный электрон).
Атом фосфора занимает то же место в кристаллической решетке, которое ранее занимал замещенный им атом кремния. Четыре из его валентных электронов принимают на себя обязанности связывания четырех кремниевых валентных электронов, которые они заменили. Но пятый валентный электрон остается свободным, без обязательств по связыванию. Когда в кристалле кремний замещают многочисленные атомы фосфора, становится доступным много свободных электронов.
Замена атома фосфора (с пятью валентными электронами) на атом кремния в кристалле кремния оставляет дополнительный несвязанный электрон, который относительно свободно перемещается вокруг кристалла.
Наиболее распространенный метод легирования - покрыть верхнюю часть слоя кремния фосфором, а затем нагреть поверхность. Это позволяет атомам фосфора диффундировать в кремний. Затем температура понижается, так что скорость диффузии падает до нуля. Другие способы введения фосфора в кремний включают газообразную диффузию, жидкую легирующую примесь процесс распыления, и метод, в котором ионы фосфора направляются точно в поверхность кремний.
Конечно, кремний n-типа не может самостоятельно образовывать электрическое поле; Также необходимо изменить кремний, чтобы иметь противоположные электрические свойства. Таким образом, бор, имеющий три валентных электрона, используется для легирования кремния р-типа. Бор вводится во время обработки кремния, где кремний очищается для использования в фотоэлектрических устройствах. Когда атом бора занимает положение в кристаллической решетке, ранее занимавшейся атомом кремния, возникает связь, в которой отсутствует электрон (другими словами, дополнительная дырка).
Как и кремний, все фотоэлектрические материалы должны быть преобразованы в конфигурации p-типа и n-типа для создания необходимого электрического поля, которое характеризует фотоэлемент. Но это делается разными способами, в зависимости от характеристик материала. Например, аморфный кремний уникальная структура делает необходимым внутренний слой (или i слой). Этот нелегированный слой аморфного кремния помещается между слоями n-типа и p-типа, образуя так называемую конструкцию «p-i-n».
поликристаллический тонкие пленки, такие как диселенид меди индия (CuInSe2) и теллурид кадмия (CdTe), показывают большие перспективы для фотоэлементов. Но эти материалы нельзя просто легировать для формирования n и p слоев. Вместо этого слои разных материалов используются для формирования этих слоев. Например, «оконный» слой из сульфида кадмия или аналогичного материала используется для обеспечения дополнительных электронов, необходимых для его n-типа. CuInSe2 может сам по себе быть p-типа, тогда как CdTe выигрывает от слоя p-типа, сделанного из материала, такого как теллурид цинка (ZnTe).
Арсенид галлия (GaAs) модифицируют аналогичным образом, обычно с помощью индия, фосфора или алюминия, для получения широкого спектра материалов n- и p-типа.
* Эффективность преобразования фотоэлемента - это доля солнечной энергии, которую элемент преобразует в электрическую энергию. Это очень важно при обсуждении фотоэлектрических устройств, потому что повышение этой эффективности жизненно важно для того, чтобы сделать фотоэлектрическую энергию конкурентоспособной с более традиционными источниками энергии (например, ископаемое топливо). Естественно, если одна эффективная солнечная панель может обеспечить столько же энергии, сколько две менее эффективные панели, то стоимость этой энергии (не говоря уже о требуемом пространстве) будет снижена. Для сравнения, самые ранние фотоэлектрические устройства преобразовывали около 1% -2% солнечной энергии в электрическую энергию. Современные фотоэлектрические устройства преобразуют 7-17% световой энергии в электрическую. Конечно, другая сторона уравнения - это деньги, затрачиваемые на изготовление фотоэлектрических устройств. Это было улучшено за эти годы. Фактически, сегодняшние фотоэлектрические системы производят электроэнергию за долю стоимости ранних фотоэлектрических систем.