Den "fotovoltaiska effekten" är den fysiska grundläggande processen genom vilken en PV-cell omvandlar solljus till elektricitet. Solljus består av fotoner eller partiklar av solenergi. Dessa fotoner innehåller olika mängder energi som motsvarar de olika våglängderna i solspektrumet.
När fotoner träffar en PV-cell kan de reflekteras eller absorberas, eller de kan passera rakt igenom. Endast de absorberade fotonerna genererar elektricitet. När detta händer överförs fotonens energi till en elektron i en atom i cellen (som faktiskt är en halvledare).
Med sin nyfundna energi kan elektron fly från sitt normala läge förknippat med den atomen för att bli en del av strömmen i en elektrisk krets. Genom att lämna denna position orsakar elektronen ett "hål" att bildas. Speciella elektriska egenskaper hos PV-cellen - ett inbyggt elektriskt fält - ger den spänning som krävs för att driva strömmen genom en extern belastning (t.ex. en glödlampa).
För att inducera det elektriska fältet i en PV-cell är två separata halvledare ihopkopplade. Halterna av typen "p" och "n" motsvarar "positiva" och "negativa" på grund av deras överflöd av hål eller elektroner (extraelektronerna är av typen "n" eftersom en elektron faktiskt har en negativ avgift).
Även om båda materialen är elektriskt neutrala, har kisel av n-typ överskott av elektroner och kisel av p-typ har överskott av hål. Att smörja dessa tillsammans skapar en p / n-korsning vid deras gränssnitt och skapar därmed ett elektriskt fält.
När halvledarna av p-typ och n-typ är inklämda ihop strömmar överskottselektronerna i n-typmaterialet till p-typen, och hålen därigenom vakeras under denna process flöde till n-typen. (Konceptet att flytta ett hål är ungefär som att titta på en bubbla i en vätska. Även om det är vätskan som faktiskt rör sig, är det lättare att beskriva bubblans rörelse när den rör sig i motsatt riktning.) Genom detta elektron- och hålflöde fungerar de två halvledarna som ett batteri och skapar ett elektriskt fält vid ytan där de möts (känd som "korsning"). Det är detta fält som får elektronerna att hoppa från halvledaren ut mot ytan och göra dem tillgängliga för den elektriska kretsen. Samtidigt rör hålen sig i motsatt riktning, mot den positiva ytan, där de väntar på inkommande elektroner.
I en PV-cell absorberas fotoner i p-skiktet. Det är mycket viktigt att "ställa in" detta lager till egenskaperna hos de inkommande fotonerna för att absorbera så många som möjligt och därmed frigöra så många elektroner som möjligt. En annan utmaning är att hindra elektronerna från att möta hål och "rekombinera" med dem innan de kan fly från cellen.
För att göra detta designar vi materialet så att elektronerna frigörs så nära korsningen som möjligt, så att det elektriska fältet kan hjälpa till att skicka dem genom "ledningsskiktet" (n-skiktet) och ut i det elektriska krets. Genom att maximera alla dessa egenskaper förbättrar vi omvandlingseffektiviteten * för PV-cellen.
För att göra en effektiv solcell försöker vi maximera absorptionen, minimera reflektion och rekombination och därmed maximera ledningen.
Det vanligaste sättet att tillverka kiselmaterial av p-typ eller n-typ är att lägga till ett element som har en extra elektron eller saknar en elektron. I kisel använder vi en process som kallas "doping".
Vi kommer att använda kisel som exempel eftersom kristallint kisel var halvledarmaterialet som användes i de tidigaste framgångsrika PV-enheterna, det är fortfarande det mest använda PV-materialet, och även om andra PV-material och design utnyttjar PV-effekten på något olika sätt, genom att veta hur effekten fungerar i kristallint kisel ger oss en grundläggande förståelse för hur den fungerar i alla enheter
Som visas i detta förenklade diagram ovan har kisel 14 elektroner. De fyra elektronerna som kretsar kring kärnan i det yttersta, eller "valens", energinivån ges till, accepteras från eller delas med andra atomer.
All materia består av atomer. Atomer består i sin tur av positivt laddade protoner, negativt laddade elektroner och neutrala neutroner. Protonerna och neutronerna, som har ungefär lika stor storlek, utgör den nära packade centrala "kärnan" i atomen, där nästan hela massan hos atomen är belägen. De mycket lättare elektroner kretsar kring kärnan med mycket höga hastigheter. Även om atomen är byggd av motsatt laddade partiklar är dess totala laddning neutral eftersom den innehåller ett lika antal positiva protoner och negativa elektroner.
Elektronerna kretsar kring kärnan på olika avstånd, beroende på deras energinivå; en elektron med mindre energiomlopp nära kärnan, medan en med större energi bana längre bort. Elektronerna längst från kärnan interagerar med de hos angränsande atomer för att bestämma hur fasta strukturer bildas.
Kiselatomen har 14 elektroner, men deras naturliga omloppsarrangemang tillåter endast de yttre fyra av dessa att ges, accepteras från eller delas med andra atomer. Dessa yttre fyra elektroner, kallade "valenselektroner", spelar en viktig roll i den fotovoltaiska effekten.
Ett stort antal kiselatomer kan genom sina valenselektroner binda samman och bilda en kristall. I ett kristallint fast ämne delar varje kiselatom normalt en av sina fyra valenselektroner i en "kovalent" bindning med var och en av fyra angränsande kiselatomer. Det fasta materialet består då av basenheter med fem kiselatomer: den ursprungliga atomen plus de fyra andra atomerna med vilka det delar sina valenselektroner. I basenheten för ett kristallint kiselfast ämne delar en kiselatom var och en av sina fyra valenselektroner med var och en av fyra angränsande atomer.
Den fasta kiselkristallen består då av en regelbunden serie enheter med fem kiselatomer. Detta regelbundna, fixerade arrangemang av kiselatomer är känt som "kristallgitteret."
Processen med "doping" introducerar en atom av ett annat element i kiselkristallen för att förändra dess elektriska egenskaper. Dopningsmedlet har antingen tre eller fem valenselektroner, i motsats till kisels fyra.
Fosforatomer, som har fem valenselektroner, används för doping av kisel av n-typ (eftersom fosfor ger sin femte, fria elektron).
En fosforatom upptar samma plats i kristallgitteret som tidigare ockuperades av kiselatomen den ersatte. Fyra av dess valenselektroner tar över bindningsansvaret för de fyra kiselvalenselektronerna som de ersatte. Men den femte valenselektronen förblir fri utan bindningsansvar. När många fosforatomer ersätter kisel i en kristall blir många fria elektroner tillgängliga.
Att ersätta en fosforatom (med fem valenselektroner) för en kiselatom i en kiselkristall lämnar en extra obunden elektron som är relativt fri att röra sig runt kristallen.
Den vanligaste metoden för doping är att belägga toppen av ett lager kisel med fosfor och sedan värma upp ytan. Detta tillåter fosforatomer att diffundera in i kisel. Temperaturen sänks sedan så att diffusionshastigheten sjunker till noll. Andra metoder för att införa fosfor i kisel inkluderar gasdiffusion, ett flytande dopmedel spray-on-process och en teknik där fosforjoner drivs exakt in i ytan på kisel.
Naturligtvis kan kisel av n-typ inte bilda det elektriska fältet av sig själv; Det är också nödvändigt att ändra lite kisel för att ha motsatta elektriska egenskaper. Så bor, som har tre valenselektroner, används för dopning av kisel av p-typ. Bor introduceras under kiselbearbetning, där kisel renas för användning i PV-enheter. När en boratom tar en position i kristallgitteret som tidigare var upptagen av en kiselatom, finns det en bindning som saknar en elektron (med andra ord ett extra hål).
Liksom kisel måste alla PV-material göras till p-typ- och n-typskonfigurationer för att skapa det nödvändiga elektriska fältet som kännetecknar en PV-cell. Men detta görs på ett antal olika sätt, beroende på materialets egenskaper. Till exempel, amorfa kisel unik struktur gör ett inneboende lager (eller i-lager) nödvändigt. Detta odopade skikt av amorft kisel passar mellan skikt av n-typ och p-typ för att bilda det som kallas en "p-i-n" -design.
polykristallin tunnfilmer som kopparindiumdiselenid (CuInSe2) och kadmiumtellurid (CdTe) visar stora löften för PV-celler. Men dessa material kan inte bara dopas för att bilda n- och p-lager. Istället används lager av olika material för att bilda dessa lager. Till exempel används ett "fönsterskikt" av kadmiumsulfid eller liknande material för att tillhandahålla de extra elektroner som är nödvändiga för att göra det till n-typ. CuInSe2 kan själva tillverkas av p-typ, medan CdTe drar nytta av ett p-typskikt tillverkat av ett material som zink-tellurid (ZnTe).
Galliumarsenid (GaAs) modifieras på liknande sätt, vanligtvis med indium, fosfor eller aluminium, för att producera ett brett spektrum av n- och p-material.
* Konverteringseffektiviteten för en PV-cell är andelen solskenergi som cellen konverterar till elektrisk energi. Detta är mycket viktigt när man diskuterar PV-enheter, eftersom förbättring av denna effektivitet är avgörande för att göra PV-energi konkurrenskraftig med mer traditionella energikällor (t.ex. fossila bränslen). Naturligtvis, om en effektiv solpanel kan ge så mycket energi som två mindre effektiva paneler, kommer kostnaderna för den energin (för att inte tala om det utrymme som krävs) att minska. Som jämförelse konverterade de tidigaste PV-enheterna cirka 1% -2% av solljusenergin till elektrisk energi. Dagens PV-enheter konverterar 7% -17% av ljusenergi till elektrisk energi. Naturligtvis är den andra sidan av ekvationen de pengar det kostar att tillverka PV-enheter. Detta har också förbättrats under åren. Faktum är att dagens PV-system producerar el till en bråkdel av kostnaden för tidiga PV-system.