Учебники

Солнечная энергия – фотоэлектрический эффект

Крайне важно, чтобы у нас были некоторые базовые знания о PN-переходах, прежде чем мы перейдем к изучению концепции фотоэлектрического эффекта.

PN Junction

PN Junction была изобретена лабораториями Рассела Белла в США. Это относится к соединению между двумя полупроводниками, то есть P-типом и N-типом. Рассел обнаружил, что два полупроводника имеют интересное поведение на стыке, которое вызывает проводимость только в одном направлении.

Полупроводник P-типа имеет дырки (отсутствие электрона) в качестве основных носителей заряда. Полупроводник N-типа имеет электроны в качестве основных носителей заряда.

PN Junction

На схеме, приведенной выше, на стыке –

  • Дополнительные заряды диффундируют через противоположные узлы, так что положительные на p-стороне получают отрицательные заряды и нейтрализуют их.

  • Точно так же негативы на N-стороне получают положительные заряды и нейтрализуют их.

  • Это создает запас (m) по обе стороны, где избыточный заряд исчерпан, чтобы сделать эту область нейтральной и в состоянии равновесия. Эта область называется обедненным слоем, и заряд с обеих сторон не пересекается.

  • Слой истощения создает потенциальный барьер и, следовательно, требует внешнего напряжения для его преодоления. Этот процесс называется смещением .

  • Для проведения прямого смещения приложенное напряжение должно накачивать электроны (отрицательные) от n-перехода к p-стороне соединения. Непрерывный поток тока гарантирует постоянное движение электронов, чтобы заполнить дыры, следовательно, проводимость через обедненный слой.

  • Реверсирование приложенного напряжения в процессе, называемом обратным смещением , приводит к смещению дырок и электронов, увеличивая истощающий слой.

  • Внешняя нагрузка подключена к солнечному элементу с положительной клеммой, подключенной к пластинам на стороне N, а отрицательная клемма к пластинам на стороне P. Разница потенциалов создается фотоэлектрическим эффектом.

Дополнительные заряды диффундируют через противоположные узлы, так что положительные на p-стороне получают отрицательные заряды и нейтрализуют их.

Точно так же негативы на N-стороне получают положительные заряды и нейтрализуют их.

Это создает запас (m) по обе стороны, где избыточный заряд исчерпан, чтобы сделать эту область нейтральной и в состоянии равновесия. Эта область называется обедненным слоем, и заряд с обеих сторон не пересекается.

Слой истощения создает потенциальный барьер и, следовательно, требует внешнего напряжения для его преодоления. Этот процесс называется смещением .

Для проведения прямого смещения приложенное напряжение должно накачивать электроны (отрицательные) от n-перехода к p-стороне соединения. Непрерывный поток тока гарантирует постоянное движение электронов, чтобы заполнить дыры, следовательно, проводимость через обедненный слой.

Реверсирование приложенного напряжения в процессе, называемом обратным смещением , приводит к смещению дырок и электронов, увеличивая истощающий слой.

Внешняя нагрузка подключена к солнечному элементу с положительной клеммой, подключенной к пластинам на стороне N, а отрицательная клемма к пластинам на стороне P. Разница потенциалов создается фотоэлектрическим эффектом.

Ток, полученный электронами, вытесненными фотонами, недостаточен, чтобы дать значительную разность потенциалов. Следовательно, ток удерживается, чтобы вызвать дальнейшие столкновения и выпустить больше электронов.

Фотоэлектрический эффект

Солнечный элемент использует концепцию pn-перехода в захвате солнечной энергии. На следующем рисунке показан уровень ферми полупроводника.

Фотоэлектрический эффект

Для проведения полупроводника электроны должны пересекать энергетическую щель от валентной зоны до зоны проводимости. Эти электроны требуют энергии для смещения и перемещения через валентную щель. В солнечных элементах фотоны, испускаемые Солнцем, обеспечивают необходимую энергию для преодоления разрыва.

Фотон, падающий на поверхность, может быть поглощен, отражен или передан. Если он отражается или передается, он не помогает выбить электрон и, таким образом, теряется. Следовательно, фотон должен быть поглощен, чтобы обеспечить энергию, необходимую для смещения и перемещения электронов через валентную щель.

Если E ph – это энергия фотона, а EG – это пороговая энергия для пересечения энергетической щели, то возможные результаты, когда фотон попадает на поверхность полупроводника, –

  • E ph <E G – в этом случае фотон не достигает порога и просто пройдет.

  • E ph = E G – фотон имеет точный порог, чтобы сместить электрон и создать дырочную электронную пару.

  • E ph > E G – энергия фотона превышает порог. Это создает пару электрон-дырка, хотя это пустая трата, так как электрон движется обратно вниз по энергетической щели.

E ph <E G – в этом случае фотон не достигает порога и просто пройдет.

E ph = E G – фотон имеет точный порог, чтобы сместить электрон и создать дырочную электронную пару.

E ph > E G – энергия фотона превышает порог. Это создает пару электрон-дырка, хотя это пустая трата, так как электрон движется обратно вниз по энергетической щели.

Поглощение солнечной радиации

В большинстве случаев коэффициент поглощения полупроводника используется для определения эффективности поглощения энергии Солнца. Низкий коэффициент означает плохое поглощение. Поэтому то, как далеко идет фотон, зависит как от коэффициента поглощения ( α ), так и от длины волны излучения ( λ ).

$$ \ alpha \: = \: \ frac {4 \ pi k} {\ lambda} $$

Где k – коэффициент экстинкции