A "fotovoltaikus hatás" az alapvető fizikai folyamat, amelyen keresztül a PV-elem a napfényt elektromosá alakítja. A napfény fotonokból vagy a napenergia részecskéiből áll. Ezek a fotonok különböző mennyiségű energiát tartalmaznak, amelyek megfelelnek a Napspektrum különböző hullámhosszainak.
Amikor a fotonok eltalálnak egy PV-cellát, visszaverődhetnek vagy abszorbeálódhatnak, vagy átjuthatnak egyenesen. Csak az abszorbeált fotonok termelnek áramot. Amikor ez megtörténik, a foton energiája átkerül egy elektronba a sejt atomjában (amely valójában a félvezető).
Új energiájának köszönhetően az elektron képes kijutni az atomhoz kapcsolódó normál helyzetéből, hogy az áramkör részévé váljon. Ha elhagyja ezt a helyet, az elektron "lyuk" kialakulását okozza. A PV cella speciális elektromos tulajdonságai - a beépített elektromos mező - biztosítják a feszültséget, amely ahhoz szükséges, hogy az áram külső terhelésen keresztül (például egy villanykörte) áramljon.
A PV cellában az elektromos mező indukálásához két különálló félvezető van egymással összefűzve. A "p" és "n" típusú félvezetők bősége miatt megfelelnek a "pozitív" és "negatív" típusoknak lyukak vagy elektronok száma (az extra elektronok "n" típusúak, mert egy elektron valójában negatív díj).
Bár mindkét anyag elektromos szempontból semleges, az n-típusú szilícium fölösleges elektronokkal és a p-típusú szilícium felesleges lyukakkal rendelkezik. Ezek együttes elhelyezése p / n kereszteződést hoz létre a felületen, ezáltal elektromos mezőt hozva létre.
Ha a p-típusú és az n-típusú félvezetőket egymással összefűzzük, az n-típusú anyagban lévő felesleges elektronok a p-típusba áramolnak, és az e folyamat során megszabadult lyukak n-típusú áramlásúak. (A lyuk mozgásának fogalma kissé olyan, mintha egy folyadékban lévő buborékra nézzünk. Bár ez a folyadék mozog, könnyebb leírni a buborék mozgását, mivel az ellenkező irányba mozog.) ebben az elektron- és lyukáramlásban a két félvezető elemként működik, és elektromos mezőt hoz létre azon a felületen, ahol találkoznak ( "csomópont"). Ez a mező okozza az elektronok ugrását a félvezetőből a felület felé, és elérhetővé teszik őket az elektromos áramkör számára. Ugyanakkor a lyukak az ellenkező irányba mozognak, a pozitív felület felé, ahol a bejövő elektronokra várnak.
Egy PV cellában a fotonok abszorbeálódnak a p rétegben. Nagyon fontos, hogy ezt a réteget "behangoljuk" a bejövő fotonok tulajdonságaihoz, hogy minél több abszorbeáljon, és ezáltal minél több elektron felszabaduljon. Egy másik kihívás az, hogy megakadályozzuk az elektronokat, hogy találkozzanak a lyukakkal és "rekombinálódjanak" velük, mielőtt elmenekülhetnek a sejtből.
Ehhez úgy tervezzük meg az anyagot, hogy az elektronok a lehető legközelebb kerüljenek a csomóponthoz, így az elektromos mező elősegítheti, hogy a "vezető" rétegen (n réteg) keresztül továbbítsák őket az elektromos áramba áramkör. Mindezen tulajdonságok maximalizálásával javítjuk a PV cella konverziós hatékonyságát *.
A hatékony napelem elkészítéséhez megpróbáljuk maximalizálni az abszorpciót, minimalizálni a visszaverődést és a rekombinációt, és ezáltal maximalizálni a vezetőképességet.
A p-típusú vagy n-típusú szilícium-anyag elõállításának leggyakoribb módja egy olyan elem hozzáadása, amelynek extra elektronja van vagy nincs elektronja. A szilíciumban a "dopping" elnevezésű eljárást használjuk.
Példaként a szilíciumot fogjuk használni, mivel a kristályos szilícium volt a félvezető anyag, amelyet a legkorábbi sikeres PV készülékekben használtak, ez még mindig a legszélesebb körben alkalmazott PV anyag, és bár más PV anyagok és formatervezési minták kissé eltérő módon használják ki a PV hatást, tudva, hogy a hatás miként működik kristályos szilíciumban, alapvető megértést ad nekünk, hogyan működik minden eszközben
Amint azt a fenti egyszerűsített ábra szemlélteti, a szilíciumnak 14 elektronja van. A négy elektron, amely kering az atommag legkülső energiaszintjén, vagyis "valencia" energiaszintet kap, megkapja, vagy megosztja más atomokkal.
Minden anyag atomokból áll. Az atomok viszont pozitív töltésű protonokból, negatív töltésű elektronokból és semleges neutronokból állnak. A protonok és a neutronok, amelyek megközelítőleg azonos méretűek, alkotják az atom szorosan csomagolt központi "magját", ahol az atom tömegének szinte teljes része található. A sokkal könnyebb elektronok nagyon nagy sebességgel keringnek a magon. Noha az atom ellentétesen töltött részecskékből épül fel, teljes töltése semleges, mivel azonos számú pozitív protont és negatív elektronot tartalmaz.
Az elektronok keringnek a magon különböző távolságra, energiájuk szintjétől függően; egy atom kevesebb energiájú kering az atommag közelében, míg az egyik nagyobb energiája távolabb távozik. A sejtmagtól legtávolabbi elektronok kölcsönhatásba lépnek a szomszédos atomok elektronikáival, hogy meghatározzák a szilárd struktúrák kialakulásának módját.
A szilícium atomnak 14 elektronja van, de a természetes keringési elrendezésüknek köszönhetően ezeknek csak a külső négyét adhatják, elfogadhatják vagy megoszthatják más atomokkal. Ezek a külső négy elektron, az úgynevezett "valencia" elektronok, fontos szerepet játszanak a fotovoltaikus hatásban.
Nagyszámú szilíciumatom, vegyértékük elektronjaik révén, összekapcsolódhat és kristályt képezhet. Kristályos szilárd anyagban mindegyik szilíciumatom négy valencia elektronja egyikét "kovalens" kötésben osztja mind a négy szomszédos szilícium atommal. A szilárd anyag ekkor öt szilícium atom alapvető egységeiből áll: az eredeti atom és a másik négy atom, amelyekkel megosztja valencia elektronjait. A kristályos szilícium szilárd anyag alapegységében a szilícium atom megosztja mind a négy vegyérték-elektronát mind a négy szomszédos atommal.
A szilárd szilícium kristály tehát egy szabályos egységi sorozatból áll, öt szilikonatomból. A szilícium-atomok ezt a szabályos, rögzített elrendezését "kristályrácsnak" nevezzük.
A "dopping" eljárás egy elem egy atomját vezet be a szilícium kristályba, hogy megváltoztassa annak elektromos tulajdonságait. Az adalékanyagnak három vagy öt valencia elektronja van, szemben a szilícium négyével.
Az öt valens elektronú foszfor atomokat az n-típusú szilícium doppingozására használják (mivel a foszfor biztosítja ötödik szabad elektronját).
A foszforatom ugyanazt a helyet foglalja el a kristályrácsban, amelyet korábban a helyettesített szilíciumatom vett el. Négy vegyérték elektronja átveszi a helyettesített négy szilikon vegyérték elektron kötési felelősségét. De az ötödik vegyértékű elektron szabad marad, felelősségvállalás nélkül. Amikor számos foszforatom helyettesíti a szilíciumot egy kristályban, sok szabad elektron válik elérhetővé.
A foszforatom (öt vegyérték-elektronmal) helyettesítése a szilícium atomhoz egy szilícium kristályban extra, nem kötött elektronot eredményez, amely viszonylag szabadon mozoghat a kristály körül.
A leggyakoribb dopping-módszer a szilíciumréteg felső részének foszforral való bevonása, majd a felület melegítése. Ez lehetővé teszi a foszforatomok diffundálódását a szilíciumba. A hőmérsékletet ezután leengedjük úgy, hogy a diffúziós sebesség nullára csökken. A foszfor szilíciumba juttatásának más módszerei a gázdiffúzió, egy folyékony adalékanyag permetezési eljárás, és egy olyan módszer, amelyben a foszfor-ionok pontosan bejutnak az anyag felületébe szilícium.
Természetesen az n-típusú szilícium önmagában nem képezi az elektromos mezőt; szintén szükséges módosítani néhány szilíciumot, hogy az ellenkező elektromos tulajdonságokkal rendelkezzen. Tehát a bórt, amelynek három vegyérték elektronja van, használják a p-típusú szilícium doppingozására. A bórt a szilíciumfeldolgozás során vezetik be, ahol a szilíciumot tisztítják PV készülékekben való felhasználás céljából. Ha egy bóratom elfoglal egy helyet a korábban egy szilícium atom által elfoglalt kristályrácsban, akkor egy kötéstől hiányzik egy elektron (más szóval egy extra lyuk).
A szilíciumhoz hasonlóan az összes PV anyagot p-típusú és n-típusú konfigurációkba kell készíteni, hogy létrejöjjön a szükséges PV-elem, amely jellemzi a PV-cellát. De ezt az anyag tulajdonságaitól függően számos különböző módon hajtják végre. Például, amorf szilícium az egyedülálló szerkezet miatt belső réteg (vagy i réteg) szükséges. Ez a nem átalakított amorf szilíciumréteg illeszkedik az n-típusú és a p-típusú rétegek közé, hogy kialakuljon az úgynevezett "p-i-n" kialakítás.
polikristályos a vékony fóliák, mint például a réz-indium-diszénid (CuInSe2) és a kadmium-tellurid (CdTe) nagy ígéretet mutatnak a PV-sejtek számára. De ezeket az anyagokat nem lehet egyszerűen adalékolni, hogy n és p rétegeket képezzenek. Ehelyett ezekből a rétegekből különböző anyagok rétegeit használják. Például egy kadmium-szulfid vagy hasonló anyag "ablakos" rétegét használják az extra elektronok előállításához, amelyek szükségesek az n-típushoz. A CuInSe2 maga is p-típusú, míg a CdTe előnye egy p-típusú réteg, amely olyan anyagból készül, mint a cink-tellurid (ZnTe).
Gallium-arzenid A (GaA-k) hasonló módon módosulnak, általában indium-, foszfor- vagy alumíniumtartalommal, hogy számos n- és p-típusú anyagot kapjanak.
* A PV cella konverziós hatékonysága a napfény energia azon aránya, amelyet a cella elektromos energiává alakít át. Ez nagyon fontos a fotovoltaikus eszközök megbeszélésekor, mivel ennek a hatékonyságnak a javítása elengedhetetlen ahhoz, hogy a fotovoltaikus energiát versenyképesebbé tegyék a hagyományos energiaforrásokkal (például fosszilis tüzelőanyagokkal). Természetesen, ha egy hatékony napelemek annyi energiát tudnak szolgáltatni, mint két kevésbé hatékony napelemek, akkor ennek az energianak a költségei (nem is beszélve a szükséges helyről) csökkennek. Összehasonlításképpen: a legújabb PV-eszközök a napfény energia mintegy 1–2% -át elektromos energiává alakították. A mai fotovillamos készülékek a fényenergia 7–17% -át elektromos energiává alakítják. Természetesen az egyenlet másik oldala az a pénz, amely a PV-eszközök gyártásához jár. Ezt az évek során is javították. Valójában a mai fotovoltaikus rendszerek a korai fotoelektromos rendszerek költségeinek töredékével termelnek villamos energiát.