Fotogalvaaniline efekt on põhiline füüsiline protsess, mille kaudu PV-element muundab päikesevalguse elektrienergiaks. Päikesevalgus koosneb footonitest või päikeseenergia osakestest. Need footonid sisaldavad mitmesuguseid energiakoguseid, mis vastavad Päikesespektri erinevatele lainepikkustele.
Kui footonid tabavad PV-elementi, võivad need peegelduda või imenduda või läbida otse. Ainult neelatud footonid tekitavad elektrit. Kui see juhtub, kandub footoni energia raku aatomis olevasse elektronisse (mis tegelikult on a.) pooljuht).
Uue leidunud energiaga suudab elektron väljuda selle aatomiga seotud normaalsest asendist, et saada osa vooluahelas olevast voolust. Sellest positsioonist lahkudes põhjustab elektron "augu" tekkimise. PV-elemendi spetsiaalsed elektrilised omadused - sisseehitatud elektriväli - pakuvad pinget, mis on vajalik voolu juhtimiseks välise koormuse (näiteks lambipirni) kaudu.
Elektrivälja esilekutsumiseks PV-elemendis liidetakse kaks eraldi pooljuhti kokku. Pooljuhtide tüübid "p" ja "n" vastavad arvukuse tõttu "positiivsele" ja "negatiivsele" aukude või elektronide arv (lisaelektronid moodustavad "n" tüüpi, kuna elektronil on tegelikult negatiivne tasu).
Ehkki mõlemad materjalid on elektriliselt neutraalsed, on n-tüüpi räni elektronide liig ja p-tüüpi räni aukude arv on liiga suur. Nende koos kihistamine loob nende liideses p / n-ristmiku, luues seeläbi elektrivälja.
Kui p-tüüpi ja n-tüüpi pooljuhid lihvitakse kokku, voolavad n-tüüpi materjalis olevad üleliigsed elektronid p-tüüpi ja selle protsessi käigus sellest vabanenud augud voolavad n-tüüpi. (Augu liikumise kontseptsioon sarnaneb mõnevõrra vedeliku mulli vaatamisega. Kuigi see on tegelikult liikuv vedelik, on mulli liikumist lihtsam kirjeldada, kui see liigub vastupidises suunas.) Selle elektronide ja augu voo mõjul toimivad kaks pooljuhti akuna, luues elektrivälja pinnale, kus nad kohtuvad (tuntud kui "ristmik"). See väli põhjustab selle, et elektronid hüppavad pooljuhist pinna poole ja muudavad need elektriahela jaoks kättesaadavaks. Samal ajal liiguvad augud vastupidises suunas, positiivse pinna poole, kus nad ootavad saabuvaid elektrone.
PV-kambris absorbeerivad footonid p-kihti. On väga oluline seda kihti "häälestada" sissetulevate footonite omadustele nii, et see absorbeeriks võimalikult palju ja vabastaks seeläbi võimalikult palju elektrone. Teine väljakutse on hoida elektronid aukudega kohtumast ja nendega "rekombineerumast", enne kui nad rakust pääsevad.
Selleks kujundame materjali nii, et elektronid vabaneksid ristmikule võimalikult lähedal, nii et elektriväli aitab neid saata läbi "juhtivuse" kihi (n kihi) ja välja elektrisse vooluring. Maksimeerides kõiki neid omadusi, parandame PV-elemendi muundamise efektiivsust *.
Tõhusa päikeseelemendi saamiseks proovime maksimeerida neeldumist, minimeerida peegeldumist ja rekombinatsiooni ning seeläbi maksimaalset juhtivust.
Kõige tavalisem viis p- või n-tüüpi räni valmistamiseks on lisada element, millel on lisaelektron või milles puudub elektron. Ränis kasutame protsessi, mida nimetatakse "dopinguks".
Kasutame näitena räni, kuna kristalne räni oli pooljuhtmaterjal, mida kasutati kõige varasemates õnnestunud PV-seadmetes, see on endiselt kõige laialdasemalt kasutatav PV-materjal ja kuigi muud PV-materjalid ja kujundused kasutavad PV-efekti veidi erineval viisil. Teades, kuidas see toimib kristalses ränis, annab meile põhiteadmise selle toimimisest kõigis seadmetes
Nagu ülaltoodud lihtsustatud diagrammil on kujutatud, on räni 14 elektroni. Neli elektroni, mis tiirlevad tuumast äärepoolseimas, ehk "valents" energiatasand, antakse teistele aatomitele, võetakse neist vastu või jagatakse nendega.
Kõik mateeria koosneb aatomitest. Aatomid omakorda koosnevad positiivselt laetud prootonitest, negatiivselt laetud elektronidest ja neutraalsetest neutronitest. Ligikaudu võrdse suurusega prootonid ja neutronid sisaldavad aatomi tihedalt pakendatud keskset "tuuma", kus asub peaaegu kogu aatomi mass. Palju kergemad elektronid tiirlevad tuuma väga suure kiirusega. Ehkki aatom on ehitatud vastupidiselt laetud osakestest, on selle kogulaeng neutraalne, kuna see sisaldab võrdsel arvul positiivseid prootoneid ja negatiivseid elektrone.
Elektronid tiirlevad tuuma erinevatel vahemaadel, sõltuvalt nende energiatasemest; elektron, mille tuuma lähedal orbiidil on vähem energiat, samal ajal kui üks suurema energiaga orbiteerib kaugemal. Tuumast kõige kaugemal asuvad elektronid interakteeruvad naaberaatomite omadega, et määrata kindlaks tahkete struktuuride moodustumise viis.
Räniaatomil on 14 elektronit, kuid nende looduslik orbitaalpaigutus võimaldab ainult nelja välimist anda teistele aatomitele, vastu võtta või jagada teistega. Need neli välimist elektroni, nn valentselektronid, mängivad olulist rolli fotogalvaanilises efektis.
Suur arv räni aatomeid võib nende valentselektronite kaudu kristallideks liituda. Kristalses tahkises jagab iga räni aatom tavaliselt ühte neljast valentselektronist "kovalentses" sidemes nelja naabruses oleva räni aatomiga. Seejärel koosneb tahke aine viiest räni aatomist koosnevatest põhiosadest: algsest aatomist ja veel neljast aatomist, millega ta jagab oma valentselektrone. Kristallilise räni tahke aine põhiosas jagab räni aatom oma nelja valentselektroni iga nelja naaberiaatomiga.
Tahke räni kristall koosneb siis korrapärasest viiest räni aatomist koosnevatest ühikutest. Seda räni aatomite korrapärast, fikseeritud paigutust nimetatakse "kristallvõreks".
Dopinguprotseduur viib räni kristallidesse teise elemendi aatomi, et muuta selle elektrilisi omadusi. Lisandil on kolm või viis valentselektroni, mitte räni neli.
N-tüüpi räni dopinguks kasutatakse fosfori aatomeid, millel on viis valentselektroni (kuna fosfor annab oma viienda, vaba elektroni).
Fosforiaatom hõivab kristallvõres sama koha, mille hõivas varem selle asendatud räni aatom. Neli selle valentselektroni võtavad üle nende asendatud nelja räni valentselektroni liimimisvastutuse. Kuid viies valentselektron jääb vabaks, ilma vastutuseta. Kui arvukad fosfori aatomid asendatakse kristallides räniga, muutuvad kättesaadavaks paljud vabad elektronid.
Kui asendada räni aatomis fosfori aatom (viie valentselektroniga), saadakse täiendav sidumata elektron, millel on suhteliselt vabadus liikuda kristalli ümber.
Kõige tavalisem dopingumeetod on ränikihi pealmise osa katmine fosforiga ja pinna soojendamine. See võimaldab fosfori aatomitel difundeeruda räni. Seejärel alandatakse temperatuuri nii, et difusiooni kiirus langeb nullini. Muud fosfori räni sisestamise meetodid hõlmavad gaasilist difusiooni, vedelat abiainet pihustusprotsess ja tehnika, mille abil fosforioonid juhitakse täpselt pinnale räni.
Muidugi ei saa n-tüüpi räni ise elektrivälja moodustada; samuti on vaja muuta mõnda räni, et oleks vastupidiseid elektrilisi omadusi. Nii kasutatakse p-tüüpi räni dopinguks boori, millel on kolm valentselektroni. Boor sisestatakse räni töötlemise käigus, kus räni puhastatakse kasutamiseks PV-seadmetes. Kui boori aatom võtab oma positsiooni kristallsõres, mille varem hõivas räni aatom, siis puudub side, milles puudub elektron (teisisõnu, lisaava).
Nagu räni, tuleb kõik PV-materjalid teha p- ja n-tüüpi konfiguratsioonidesse, et luua vajalik elektriväli, mis iseloomustab PV-rakku. Kuid seda tehakse mitmel erineval viisil, sõltuvalt materjali omadustest. Näiteks, amorfsed räni ainulaadne struktuur muudab vajalikuks sisemise kihi (või i kihi). See töötlemata amorfse räni kiht sobib n-tüüpi ja p-tüüpi kihtide vahel, moodustades nn p-i-n-kujunduse.
Polükristalliline õhukesed kiled, näiteks vaskindium diseleniid (CuInSe2) ja kaadmiumtelluriid (CdTe) näitavad PV-rakkude jaoks suurt lubadust. Kuid neid materjale ei saa lihtsalt n ja p kihtide moodustamiseks segada. Nende kihtide moodustamiseks kasutatakse hoopis erinevate materjalide kihte. Näiteks kasutatakse n-tüüpi muutmiseks vajalike täiendavate elektronide saamiseks kaadmiumsulfiidi vms materjali "akna" kihti. CuInSe2 saab ise teha p-tüüpi, samas kui CdTe saab kasu p-tüüpi kihist, mis on valmistatud sellisest materjalist nagu tsinktelluriid (ZnTe).
Galliumarseniid (GaAs) on sarnaselt modifitseeritud, tavaliselt indiumi, fosfori või alumiiniumiga, et saada laias valikus n- ja p-tüüpi materjale.
* PV-elemendi muundamise efektiivsus on päikesevalguse energia osakaal, mille element muundab elektrienergiaks. See on PV-seadmeid arutades väga oluline, sest selle tõhususe parandamine on ülitähtis, et muuta PV-energia konkurentsivõimelisemaks traditsiooniliste energiaallikate (nt fossiilkütused) abil. Muidugi, kui üks tõhus päikesepaneel suudab pakkuda sama palju energiat kui kaks vähem tõhusat paneeli, siis selle energia hind (rääkimata vajalikust ruumist) väheneb. Võrdluseks - kõige varasemad PV-seadmed teisendasid umbes 1% -2% päikesevalguse energiast elektrienergiaks. Tänapäevased PV-seadmed muudavad 7% -17% valgusenergiast elektrienergiaks. Muidugi on võrrandi teisel poolel raha, mis kulub PV-seadmete valmistamiseks. Seda on aastate jooksul ka parandatud. Tegelikult toodavad tänapäeva fotogalvaanilised süsteemid elektrit murdosa varajase fotoelektrisüsteemi kuludest.