Energia solare - Effetto fotovoltaico
È essenziale avere una conoscenza di base delle giunzioni PN prima di passare all'apprendimento del concetto di effetto fotovoltaico.
La giunzione PN
Il PN Junction è stato inventato dai laboratori Russell of Bell negli Stati Uniti. Si riferisce a una giunzione tra due semiconduttori, ovvero di tipo P e di tipo N. Russell ha scoperto che i due semiconduttori hanno un comportamento interessante alla giunzione che causa la conduzione in una sola direzione.
Un semiconduttore di tipo P ha buchi (assenza di elettroni) come portatori di carica maggioritari. Un semiconduttore Ntype ha elettroni come portatori di carica maggioritari.
Nello schema sopra riportato, all'incrocio -
Le cariche extra si diffondono attraverso le giunzioni opposte in modo tale che il positivo sul lato p acquisisca cariche negative e le neutralizzi.
Allo stesso modo, i negativi sul lato N ottengono cariche positive e le neutralizzano.
Questo forma un margine (m) su entrambi i lati in cui si esauriscono le cariche extra per rendere questa regione neutra e in uno stato di equilibrio. Questa regione è indicata comedepletion layer e nessuna carica da entrambi i lati incrocia.
Lo strato di esaurimento offre una potenziale barriera e quindi richiede una tensione esterna per superarlo. Questo processo è chiamatobiasing.
Per condurre, in forward biasing, la tensione applicata dovrebbe pompare elettroni (negativi) dalla giunzione n verso il lato p della giunzione. Il flusso continuo di corrente garantisce un movimento costante degli elettroni per riempire i buchi, quindi la conduzione attraverso lo strato di esaurimento.
Inversione della tensione applicata, in un processo chiamato reverse biasing, fa sì che i buchi e gli elettroni si allontanino, aumentando lo strato di esaurimento.
Un carico esterno è collegato a una cella solare con terminale positivo collegato ai wafer del lato N e terminale negativo ai wafer del lato P. Una potenziale differenza viene creata daphotovoltaic effetto.
La corrente ottenuta dagli elettroni spostati dai fotoni non è sufficiente a fornire una differenza di potenziale significativa. La corrente è quindi contenuta per causare ulteriori collisioni e rilasciare più elettroni.
Effetto fotovoltaico
Una cella solare utilizza il concetto di una giunzione pn per catturare l'energia solare. La figura seguente mostra il livello di fermi di un semiconduttore.
Affinché un semiconduttore conduca, gli elettroni devono attraversare il gap di energia dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questi elettroni richiedono un po 'di energia per spostarsi e spostarsi attraverso il divario di valenza. Nelle celle solari, i fotoni emessi dal Sole forniscono l'energia necessaria per superare il divario.
Un fotone incidente sulla superficie potrebbe essere assorbito, riflesso o trasmesso. Se viene riflesso o trasmesso, non aiuta a rimuovere un elettrone e viene quindi sprecato. Pertanto, un fotone deve essere assorbito per fornire l'energia richiesta per rimuovere e spostare gli elettroni attraverso il gap di valenza.
Se E ph è l'energia di un fotone e EG è l'energia di soglia per attraversare il gap energetico, allora i possibili risultati, quando il fotone colpisce la superficie di un semiconduttore sono:
Eph < EG - In questo caso, il fotone non raggiunge la soglia e passerà semplicemente attraverso.
Eph = EG - Il fotone ha la soglia esatta per rimuovere un elettrone e creare una coppia di elettroni bucata.
Eph > EG- L'energia del fotone supera la soglia. Questo crea una coppia elettrone-lacuna, sebbene sia uno spreco, poiché l'elettrone si sposta indietro lungo il divario energetico.
Assorbimento della radiazione solare
Nella maggior parte dei casi, il coefficiente di assorbimento del semiconduttore viene utilizzato per determinare l'efficienza dell'assorbimento di energia dal sole. Un coefficiente basso significa scarso assorbimento. Pertanto, la distanza di un fotone è un fattore sia del coefficiente di assorbimento ( α ) che della lunghezza d'onda della radiazione ( λ ).
$$ \ alpha \: = \: \ frac {4 \ pi k} {\ lambda} $$
Dove, k è il coefficiente di estinzione.