إن "التأثير الكهروضوئي" هو العملية الفيزيائية الأساسية التي تقوم من خلالها الخلية الكهروضوئية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. يتكون ضوء الشمس من الفوتونات أو جزيئات الطاقة الشمسية. تحتوي هذه الفوتونات على كميات مختلفة من الطاقة المقابلة للأطوال الموجية المختلفة للطيف الشمسي.
عندما تضرب الفوتونات خلية PV ، قد تنعكس أو تمتص ، أو قد تمر مباشرة. فقط الفوتونات الممتصة تولد الكهرباء. عندما يحدث هذا ، يتم نقل طاقة الفوتون إلى إلكترون في ذرة الخلية (وهو في الواقع أ أشباه الموصلات).
مع الطاقة المكتشفة حديثًا ، يستطيع الإلكترون الهروب من موقعه الطبيعي المرتبط بتلك الذرة ليصبح جزءًا من التيار في دائرة كهربائية. من خلال ترك هذا المنصب ، يتسبب الإلكترون في تشكيل "ثقب". الخصائص الكهربائية الخاصة للخلية الكهروضوئية - مجال كهربائي مدمج - توفر الجهد اللازم لقيادة التيار من خلال حمل خارجي (مثل المصباح الكهربائي).
للحث على المجال الكهربائي داخل الخلية الكهروضوئية ، يتم وضع اثنين من أشباه الموصلات المنفصلة معًا. يتطابق النوعان "p" و "n" من أشباه الموصلات مع "الموجبة" و "السلبية" بسبب وفرتها من الثقوب أو الإلكترونات (تصنع الإلكترونات الزائدة من النوع "n" لأن الإلكترون له في الواقع سلبي الشحنة).
على الرغم من أن كلتا المادتين محايدة كهربائيًا ، فإن السيليكون من النوع n يحتوي على إلكترونات زائدة ، بينما يحتوي السيليكون من النوع p على ثقوب زائدة. إنشاء هذه السندات معًا يخلق تقاطع p / n في واجهتهما ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا.
عندما يتم وضع أشباه الموصلات من النوع p والنوع معًا ، تتدفق الإلكترونات الزائدة في المواد من النوع n إلى النوع p ، وبالتالي تتدفق الثقوب التي يتم إخلاؤها أثناء هذه العملية إلى النوع n. (مفهوم تحريك الثقب يشبه إلى حد ما النظر إلى فقاعة في سائل. على الرغم من أن السائل هو الذي يتحرك بالفعل ، إلا أنه من الأسهل وصف حركة الفقاعة أثناء تحركها في الاتجاه المعاكس.) من خلال هذا الإلكترون وتدفق الثقب ، يعمل أشباه الموصلات كبطارية ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا على السطح حيث يلتقيان (المعروف باسم "تقاطع طرق"). هذا هو المجال الذي يجعل الإلكترونات تقفز من أشباه الموصلات باتجاه السطح وإتاحتها للدائرة الكهربائية. في نفس الوقت ، تتحرك الثقوب في الاتجاه المعاكس ، باتجاه السطح الموجب ، حيث تنتظر الإلكترونات الواردة.
في الخلية الكهروضوئية ، يتم امتصاص الفوتونات في طبقة p. من المهم جدًا "ضبط" هذه الطبقة على خصائص الفوتونات الواردة لامتصاص أكبر عدد ممكن وبالتالي تحرير أكبر عدد ممكن من الإلكترونات. ويتمثل تحد آخر في منع الإلكترونات من الالتقاء بالثقوب و "إعادة التركيب" معها قبل أن تتمكن من الهروب من الخلية.
للقيام بذلك ، نقوم بتصميم المواد بحيث يتم تحرير الإلكترونات بالقرب من الوصلة قدر الإمكان ، بحيث يمكن للحقل الكهربائي أن يساعد في إرسالهم من خلال طبقة "التوصيل" (الطبقة n) والخروج إلى الكهرباء دائرة كهربائية. من خلال تعظيم كل هذه الخصائص ، نقوم بتحسين كفاءة التحويل * للخلية الكهروضوئية.
لإنشاء خلية شمسية فعالة ، نحاول زيادة الامتصاص إلى أقصى حد وتقليل الانعكاس وإعادة التركيب ، وبالتالي زيادة التوصيل إلى أقصى حد.
الطريقة الأكثر شيوعًا لصنع مادة السيليكون من النوع p أو n هي إضافة عنصر يحتوي على إلكترون إضافي أو يفتقر إلى إلكترون. في السيليكون ، نستخدم عملية تسمى "المنشطات".
سنستخدم السليكون كمثال لأن السليكون البلوري كان مادة أشباه الموصلات المستخدمة في الأجهزة الكهروضوئية الناجحة الأولى ، ولا تزال المادة الكهروضوئية الأكثر استخدامًا ، وعلى الرغم من تستغل المواد والتصميمات الكهروضوئية الأخرى التأثير الكهروضوئي بطرق مختلفة قليلاً ، ومعرفة كيفية عمل التأثير في السيليكون البلوري يمنحنا فهمًا أساسيًا لكيفية عمله في جميع الأجهزة
كما هو موضح في هذا الرسم البياني المبسط أعلاه ، يحتوي السيليكون على 14 إلكترونًا. تُعطى الإلكترونات الأربعة التي تدور حول النواة في الخارج ، أو "التكافؤ" ، مستوى الطاقة إلى الذرات الأخرى أو قبولها أو مشاركتها معها.
كل المادة تتكون من ذرات. وتتكون الذرات بدورها من بروتونات موجبة الشحنة وإلكترونات ذات شحنة سالبة ونيوترونات محايدة. تتكون البروتونات والنيوترونات ، التي لها حجم متساوٍ تقريبًا ، من "النواة" المركزية المعبأة بالذرة للذرة ، حيث توجد كل كتلة الذرة تقريبًا. تدور الإلكترونات الأخف بكثير حول النواة بسرعات عالية جدًا. على الرغم من أن الذرة مبنية من جسيمات متقابلة ، إلا أن شحنتها الإجمالية محايدة لأنها تحتوي على عدد متساو من البروتونات الموجبة والإلكترونات السالبة.
تدور الإلكترونات حول النواة على مسافات مختلفة ، اعتمادًا على مستوى طاقتها ؛ إلكترون مع مدارات طاقة أقل قريبة من النواة ، في حين أن واحدة من أكبر الطاقة تدور حول أبعد. تتفاعل الإلكترونات الأبعد عن النواة مع تلك الذرات المجاورة لتحديد طريقة تكوين الهياكل الصلبة.
تحتوي ذرة السليكون على 14 إلكترونًا ، لكن ترتيبها المداري الطبيعي يسمح فقط بإعطاء الذرات الأربع الخارجية أو قبولها أو مشاركتها مع ذرات أخرى. تلعب هذه الإلكترونات الأربعة الخارجية ، المسماة إلكترونات التكافؤ ، دورًا مهمًا في التأثير الكهروضوئي.
يمكن لأعداد كبيرة من ذرات السيليكون ، من خلال إلكترونات التكافؤ الخاصة بها ، أن تتحد معًا لتشكل بلورة. في مادة صلبة متبلرة ، تشترك كل ذرة سليكون عادة في أحد إلكترونات التكافؤ الأربعة في رابطة "تساهمية" مع كل ذرة من ذرات السليكون الأربعة المجاورة. وتتكون المادة الصلبة ، إذن ، من وحدات أساسية من خمس ذرات سيليكون: الذرة الأصلية بالإضافة إلى الذرات الأربع الأخرى التي تشترك معها إلكترونات التكافؤ. في الوحدة الأساسية من مادة صلبة من السيليكون البلوري ، تشترك ذرة السيليكون في كل من إلكترونات التكافؤ الأربعة مع كل من الذرات الأربع المجاورة.
تتكون بلورة السيليكون الصلبة من سلسلة منتظمة من وحدات من خمس ذرات سيليكون. يُعرف هذا الترتيب المنتظم والثابت لذرات السيليكون باسم "الشبكة البلورية".
تقدم عملية "المنشطات" ذرة عنصر آخر في بلورة السيليكون لتغيير خصائصه الكهربائية. يحتوي الدوبت إما على ثلاثة أو خمسة إلكترونات تكافؤ ، على عكس إلكترونات السيليكون الأربعة.
تستخدم ذرات الفوسفور ، التي تحتوي على خمسة إلكترونات تكافؤ ، لتعاطي السيليكون من النوع n (لأن الفوسفور يوفر إلكترونه الخامس الحر).
تحتل ذرة الفوسفور نفس المكان في الشبكة البلورية التي كانت تشغلها في السابق ذرة السيليكون التي حلت محلها. تتولى أربعة من إلكترونات التكافؤ الخاصة بها مسؤوليات الترابط لإلكترونات تكافؤ السيليكون الأربعة التي حلت محلها. لكن إلكترون التكافؤ الخامس يبقى حرًا ، دون مسؤوليات الترابط. عندما يتم استبدال العديد من ذرات الفوسفور للسيليكون في بلورة ، تصبح العديد من الإلكترونات الحرة متاحة.
استبدال ذرة الفوسفور (مع خمسة إلكترونات تكافؤ) لذرة السليكون في بلورة السيليكون يترك إلكترونًا إضافيًا غير موصل مجاني نسبيًا للتنقل حول البلورة.
الطريقة الأكثر شيوعًا لتعاطي المنشطات هي طلاء الجزء العلوي من طبقة السليكون بالفوسفور ثم تسخين السطح. هذا يسمح لذرات الفوسفور بالانتشار في السيليكون. ثم تنخفض درجة الحرارة بحيث ينخفض معدل الانتشار إلى الصفر. تشمل الطرق الأخرى لإدخال الفوسفور في السيليكون الانتشار الغازي ، وهو مادة سائلة عملية الرش ، وتقنية يتم فيها دفع أيونات الفوسفور بدقة إلى سطح السيليكون.
بالطبع ، لا يمكن أن يشكل السليكون من النوع n المجال الكهربائي في حد ذاته ؛ من الضروري أيضًا تغيير بعض السليكون للحصول على الخصائص الكهربائية المعاكسة. لذلك ، يستخدم البورون ، الذي يحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ ، لتعاطي السيليكون من النوع p. يتم تقديم البورون أثناء معالجة السليكون ، حيث يتم تنقية السيليكون للاستخدام في الأجهزة الكهروضوئية. عندما تفترض ذرة البورون موقعًا في الشبكة البلورية التي كانت مشغولة سابقًا بذرة السيليكون ، فهناك رابطة تفتقد إلكترونًا (بعبارة أخرى ، ثقب إضافي).
مثل السيليكون ، يجب تحويل جميع المواد الكهروضوئية إلى تكوينات من النوع p والنوع لإنشاء المجال الكهربائي الضروري الذي يميز الخلية الكهروضوئية. ولكن يتم ذلك بعدد من الطرق المختلفة ، اعتمادًا على خصائص المادة. فمثلا، السيليكون غير متبلور بنية فريدة تجعل من الضروري وجود طبقة داخلية (أو طبقة i). تتناسب هذه الطبقة غير المسطحة من السليكون غير المتبلور بين الطبقتين من النوع n و p لتشكل ما يسمى بتصميم "p-i-n".
الكريستالات تظهر الأغشية الرقيقة مثل نحاس إنديليوم النحاس (CuInSe2) والكادميوم تيلوريد (CdTe) واعدة كبيرة للخلايا الكهروضوئية. لكن هذه المواد لا يمكن أن تكون مخدرة ببساطة لتشكيل طبقات n و p. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام طبقات من مواد مختلفة لتشكيل هذه الطبقات. على سبيل المثال ، يتم استخدام طبقة "نافذة" من كبريتيد الكادميوم أو مادة مماثلة لتوفير الإلكترونات الإضافية اللازمة لجعلها من النوع n. يمكن أن تصنع CuInSe2 نفسها من النوع p ، في حين تستفيد CdTe من طبقة من النوع p مصنوعة من مادة مثل تيلوريد الزنك (ZnTe).
مركب الزرنيخ يتم تعديل (GaAs) بالمثل ، عادة مع الإنديوم أو الفوسفور أو الألومنيوم ، لإنتاج مجموعة واسعة من المواد من نوع n و p.
* كفاءة التحويل للخلية الكهروضوئية هي نسبة طاقة ضوء الشمس التي تحولها الخلية إلى طاقة كهربائية. هذا مهم جدًا عند مناقشة الأجهزة الكهروضوئية ، لأن تحسين هذه الكفاءة أمر حيوي لجعل الطاقة الكهروضوئية قادرة على المنافسة مع مصادر الطاقة التقليدية (مثل الوقود الأحفوري). بطبيعة الحال ، إذا كان بإمكان لوحة شمسية فعالة واحدة توفير طاقة بقدر لوحين أقل كفاءة ، فسيتم تخفيض تكلفة هذه الطاقة (ناهيك عن المساحة المطلوبة). للمقارنة ، حولت الأجهزة الكهروضوئية الأولى حوالي 1٪ -2٪ من طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. تحول الأجهزة الكهروضوئية اليوم 7٪ -17٪ من الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. بالطبع ، الجانب الآخر من المعادلة هو المال الذي يكلفه تصنيع الأجهزة الكهروضوئية. وقد تم تحسين هذا على مر السنين أيضًا. في الواقع ، تنتج الأنظمة الكهروضوئية اليوم الكهرباء بجزء بسيط من تكلفة الأنظمة الكهروضوئية المبكرة.