"Fotoelektriskais efekts" ir pamata fiziskais process, kura laikā PV šūna pārveido saules gaismu elektrībā. Saules gaismu veido fotoni vai saules enerģijas daļiņas. Šie fotoni satur dažādus enerģijas daudzumus, kas atbilst dažādiem Saules spektra viļņu garumiem.
Kad fotoni atsitas pret PV šūnu, tie var būt atstaroti vai absorbēti, vai arī tie var iziet cauri. Tikai absorbētie fotoni rada elektrību. Kad tas notiek, fotona enerģija tiek nodota elektronam šūnas atomā (kas faktiski ir a pusvadītājs).
Ar savu jaunatklāto enerģiju elektrons spēj izkļūt no normālā stāvokļa, kas saistīts ar šo atomu, lai kļūtu par daļu no strāvas elektriskajā ķēdē. Atstājot šo pozīciju, elektrons izraisa "cauruma" veidošanos. PV elementa īpašās elektriskās īpašības - iebūvēts elektriskais lauks - nodrošina spriegumu, kas nepieciešams strāvas vadīšanai caur ārēju slodzi (piemēram, spuldzi).
Elektriskā lauka indukcijai PV šūnā divi atsevišķi pusvadītāji tiek savienoti kopā. Pusvadītāju tipi "p" un "n" atbilst "pozitīvajam" un "negatīvajam" to pārpilnības dēļ caurumu vai elektronu skaits (papildu elektroni veido "n" tipu, jo elektronam faktiski ir negatīvs maksa).
Lai arī abi materiāli ir elektriski neitrāli, n-veida silīcijam ir pārmērīgi daudz elektronu, un p-veida silīcijam ir lieki caurumi. Nosakot tos kopā, to saskarnē tiek izveidots p / n krustojums, tādējādi izveidojot elektrisko lauku.
Kad p-veida un n-veida pusvadītāji ir savstarpēji savienoti, n-veida materiāla liekie elektroni plūst uz p-tipu, un šajā procesā atbrīvotie caurumi plūst n-tipa. (Cauruma kustības jēdziens ir nedaudz līdzīgs burbuļa aplūkošanai šķidrumā. Lai gan tas ir šķidrums, kas faktiski pārvietojas, ir vieglāk aprakstīt burbuļa kustību, jo tas pārvietojas pretējā virzienā.) Caur šī elektronu un caurumu plūsma, abi pusvadītāji darbojas kā akumulators, radot elektrisko lauku virsmā, kur tie satiekas (pazīstams kā "krustojums"). Šis lauks izraisa elektronu lecienu no pusvadītāja uz virsmu un padara tos pieejamus elektriskajai shēmai. Tajā pašā laikā caurumi pārvietojas pretējā virzienā pret pozitīvo virsmu, kur tie gaida ienākošos elektronus.
PV šūnā fotoni tiek absorbēti p slānī. Ir ļoti svarīgi "noregulēt" šo slāni atbilstoši ienākošo fotonu īpašībām, lai absorbētu pēc iespējas vairāk un tādējādi atbrīvotu pēc iespējas vairāk elektronu. Vēl viens izaicinājums ir neļaut elektroniem satikties ar caurumiem un "rekombinēties" ar tiem, pirms tie nevar izkļūt no šūnas.
Lai to izdarītu, mēs projektējam materiālu tā, lai elektroni tiktu atbrīvoti pēc iespējas tuvāk krustojumam, lai elektriskais lauks var palīdzēt tos nosūtīt caur "vadītspējas" slāni (n kārtu) un izvadīt tos elektriskajā ķēde. Maksimizējot visas šīs īpašības, mēs uzlabojam PV šūnas pārveidošanas efektivitāti *.
Lai izveidotu efektīvu saules bateriju, mēs cenšamies palielināt absorbciju, samazināt refleksiju un rekombināciju un tādējādi maksimāli palielināt vadītspēju.
Visizplatītākais p-veida vai n-veida silīcija materiāla izgatavošanas veids ir pievienot elementu, kam ir papildu elektrons vai kuram nav elektronu. Silīcijā mēs izmantojam procesu, ko sauc par "dopingu".
Kā piemēru mēs izmantosim silīciju, jo kristāliskais silīcijs bija pusvadītāju materiāls, ko izmantoja vissenākajās veiksmīgajās PV ierīcēs, tas joprojām ir visplašāk izmantotais PV materiāls, un, kaut arī citi PV materiāli un konstrukcijas izmanto PV efektu nedaudz atšķirīgos veidos, zinot, kā efekts darbojas kristāliskajā silīcijā, tiek iegūta pamat izpratne par tā darbību visās ierīcēs
Kā parādīts šajā vienkāršotajā diagrammā, silīcijam ir 14 elektroni. Četri elektroni, kas riņķo pa kodolu visattālākajā jeb "valences" enerģijas līmenī, tiek piešķirti, pieņemti no citiem atomiem vai dalīti ar tiem.
Visu matēriju veido atomi. Atomi savukārt sastāv no pozitīvi lādētiem protoniem, negatīvi lādētiem elektroniem un neitrāliem neitroniem. Protoni un neitroni, kas ir aptuveni vienāda lieluma, satur tuvu iesaiņotu atoma centrālo "kodolu", kurā atrodas gandrīz visa atoma masa. Daudz vieglāki elektroni riņķo kodolu ar ļoti lielu ātrumu. Lai arī atoms ir veidots no pretēji lādētām daļiņām, tā kopējais lādiņš ir neitrāls, jo tajā ir vienāds skaits pozitīvo protonu un negatīvo elektronu.
Elektroni riņķo kodolu dažādos attālumos, atkarībā no to enerģijas līmeņa; elektronu ar mazāk enerģijas orbītām tuvu kodolam, turpretim viens no lielākajiem enerģijas orbītā atrodas tālāk. Elektroni, kas atrodas vistālāk no kodola, mijiedarbojas ar kaimiņu atomiem, lai noteiktu cieto struktūru veidošanās veidu.
Silīcija atomā ir 14 elektroni, bet to dabiskais orbitālais izvietojums ļauj tikai četrus ārējos nodot citiem atomiem, pieņemt no tiem vai dalīties ar tiem. Šiem četriem ārējiem elektroniem, ko sauc par "valences" elektroniem, ir liela nozīme fotoelektriskajā efektā.
Liels skaits silīcija atomu caur to valences elektroniem var savienoties, veidojot kristālu. Kristāliskā cietā stāvoklī katrs silīcija atoms parasti dala vienu no četriem valences elektroniem "kovalentā" saitē ar katru no četriem blakus esošajiem silīcija atomiem. Tad cietā viela sastāv no piecu silīcija atomu pamatvienībām: sākotnējā atoma plus vēl četri citi atomi, ar kuriem tai ir kopīgi valences elektroni. Kristāliska silīcija cietas vielas pamatvienībā silīcija atoms dala katru no četriem valences elektroniem ar katru no četriem blakus esošajiem atomiem.
Tad cietais silīcija kristāls sastāv no regulārām vienību sērijām, kurās ir pieci silīcija atomi. Šis regulārais, fiksētais silīcija atomu izvietojums ir pazīstams kā “kristāla režģis”.
"Dopinga" process ievada silīcija kristālā cita elementa atomu, lai mainītu tā elektriskās īpašības. Palīgvielām ir vai nu trīs, vai pieci valences elektroni, nevis silīcija četri.
N-veida silīcija dopingam tiek izmantoti fosfora atomi, kuriem ir pieci valences elektroni (jo fosfors nodrošina savu piekto brīvo elektronu).
Fosfora atoms tajā pašā vietā ieņem kristāla režģi, kuru agrāk bija aizvietojis silīcija atoms, kuru tas aizstāja. Četri no tā valences elektroniem pārņem četru silīcija valences elektronu, kurus tie aizstāja, savienošanas pienākumus. Bet piektais valences elektrons paliek brīvs bez saistībām. Kad silīcijs kristālā ir aizstāts ar daudziem fosfora atomiem, kļūst pieejami daudzi brīvie elektroni.
Aizvietojot silīcija kristālu ar fosfora atomu (ar pieciem valences elektroniem) ar silīcija atomu, rodas papildu nesavienots elektrons, kurš var salīdzinoši brīvi pārvietoties pa kristālu.
Visizplatītākā dopinga metode ir silīcija slāņa augšdaļas pārklāšana ar fosforu un pēc tam virsmas sildīšana. Tas ļauj fosfora atomiem izkliedēties silīcijā. Pēc tam temperatūra tiek pazemināta, lai difūzijas ātrums pazeminātos līdz nullei. Citas fosfora ievadīšanas silīcijā metodes ir gāzu difūzija, šķidra palīgviela izsmidzināšanas process un paņēmiens, kurā fosfora jonus precīzi ievada mikroorganismu virsmā silīcijs.
Protams, n tipa silīcijs pats par sevi nevar veidot elektrisko lauku; ir nepieciešams arī mainīt kādu silīciju, lai tam būtu pretējas elektriskās īpašības. Tātad p-veida silīcija dopingam tiek izmantots bors, kurā ir trīs valences elektroni. Bors tiek ievadīts silīcija apstrādes laikā, kur silīcijs tiek attīrīts izmantošanai PV ierīcēs. Kad bora atoms ieņem vietu kristāla režģī, kuru agrāk bija aizņēmis silīcija atoms, tad saitei trūkst elektronu (citiem vārdiem sakot, papildu cauruma).
Tāpat kā silīcijs, visi PV materiāli ir jāpārveido p-veida un n-veida konfigurācijās, lai izveidotu nepieciešamo elektrisko lauku, kas raksturo PV šūnu. Bet tas tiek darīts vairākos dažādos veidos, atkarībā no materiāla īpašībām. Piemēram, amorfie silīciji unikālā struktūra padara nepieciešamo iekšējo slāni (vai i slāni). Šis nepārklātais amorfā silīcija slānis der starp n-veida un p-tipa slāņiem, veidojot tā saukto “p-i-n” dizainu.
Polikristāliski plānas plēves, piemēram, vara indija diselenīds (CuInSe2) un kadmija tellurīds (CdTe), parāda lielas cerības PV šūnām. Bet šos materiālus nevar vienkārši leģēt, veidojot n un p slāņus. Tā vietā šo slāņu veidošanai tiek izmantoti dažādu materiālu slāņi. Piemēram, lai iegūtu papildu elektronus, kas nepieciešami, lai tas būtu n-veida, tiek izmantots kadmija sulfīda vai līdzīga materiāla "loga" slānis. Pati CuInSe2 var tikt izgatavota p veida veidā, savukārt CdTe gūst labumu no p veida slāņa, kas izgatavots no tāda materiāla kā cinka telurīds (ZnTe).
Gallija arsenīds (GaAs) ir līdzīgi modificēti, parasti ar indija, fosfora vai alumīnija palīdzību, lai iegūtu plašu n- un p-veida materiālu klāstu.
* PV šūnas konversijas efektivitāte ir saules gaismas enerģijas proporcija, ko šūna pārvērš elektriskajā enerģijā. Tas ir ļoti svarīgi, apspriežot PV ierīces, jo šīs efektivitātes uzlabošana ir būtiska, lai PV enerģiju padarītu konkurētspējīgu ar tradicionālākiem enerģijas avotiem (piemēram, fosilo degvielu). Protams, ja viens efektīvs saules panelis var nodrošināt tikpat daudz enerģijas kā divi mazāk efektīvi paneļi, tad šīs enerģijas izmaksas (nemaz nerunājot par nepieciešamo vietu) samazināsies. Salīdzinājumam - agrākās PV ierīces aptuveni 1% -2% saules gaismas enerģijas pārveidoja elektriskajā enerģijā. Mūsdienu PV ierīces pārvērš 7% -17% no gaismas enerģijas elektriskajā enerģijā. Protams, vienādojuma otra puse ir nauda, kas maksā PV ierīču ražošanai. Arī gadu gaitā tas ir uzlabojies. Faktiski mūsdienu PV sistēmas ražo elektrību par nelielu daļu no agrīno PV sistēmu izmaksām.