Işık elektron eklemez: güneş hücresi akımı aslında nasıl üretir, beş adımda

Güneş hücresi için yaygın bir resim şöyledir: ışık silisyuma çarpar, elektrona dönüşür ve içerideki alan onları bir pil gibi dışarı iter. Bu resmin neredeyse her parçası yanlış. Işık elektrona dönüşmez; kristalde zaten bulunan elektronlara enerji verir. Alan akımı devrede dolaştırmaz; kendisine ulaşan yükleri ayırır. Enerji de hücrenin içinde harcanmaz; hücreye bağladığınız yükte harcanır.

Bu rehber gerçekte olan beş adımı sırayla anlatıyor: her birinde kural, kendiniz kontrol edebileceğiniz bir sayı ve işin nerede bozulduğu var. Hücre sayıları uydurma bir örnek hücreden gelir (ışık akımı 40 mA, açık devre gerilimi 0,60 V; solar-cell-parameters ve SMU videolarımızla aynı örnek). Bunlar öğretim değerleridir, ölçüm değildir.

1. Kaldır: foton, zaten orada olan bir elektrona enerji verir

Yarıiletkende kristali bir arada tutan elektronlar değerlik bandında bulunur. Onun üstünde, bir enerji aralığıyla ayrılmış iletim bandı vardır; orada elektronlar serbestçe hareket edebilir. Bir elektronu birinden ötekine çıkarmak için gereken enerji bant aralığıdır [S3]. Enerjisi bant aralığına eşit ya da büyük olan foton soğurulabilir ve bir elektronu iletim bandına çıkarır [S1]. Elektron geride boş bir yer bırakır: pozitif yük gibi davranan bir boşluk. Bu yüzden soğurma her zaman bir çift oluşturur: bir elektron ve bir boşluk [S1].

İki ayrıntı önemli. Birincisi, foton soğurulunca yok olur ama kristale elektron eklenmez: bağlı olan bir elektron serbest kalır. İkincisi, bir foton ne kadar enerjik olursa olsun en fazla bir elektron serbest bırakır [S3]. Işık parçacık değil, enerji öder.

Kendin kontrol et. Foton enerjisi ile dalga boyu E (eV) = 1,24 / λ (µm) ile bağlıdır [S10]. Silisyumun bant aralığı yaklaşık 1,1 eV'tur [S3]; kullanabileceği en uzun dalga boyu 1,24 / 1,1 ≈ 1,13 µm'dir, yakın kızılötesinde.

Nerede bozulur? Fotonun elektrona "dönüştüğünü" ya da elektronun yoktan belirdiğini çizmek. Doğru resimde değerlik bandı ışık gelmeden önce doludur; yukarı çıkan elektron, ayrıldığı yerde bir boşluk bırakır.

2. Zayıf olan geçer, fazla güçlü olan israf eder

Bant aralığının altındaki fotonlar yarıiletkenle çok zayıf etkileşir ve sanki saydammış gibi içinden geçer [S1]. Sayılarının artması da işe yaramaz: aralığın altındaki daha parlak bir kızılötesi ışın da kimseyi kaldırmaz. Aralığın üstündeki fotonlar soğurulur, ama aralığı aşan enerji kaybolur: elektron hızla iletim bandının dibine iner (termalizasyon) ve fazlası ısıya dönüşür [S1].

Kendin kontrol et. Penn State'in örneği: silisyumdaki 2 eV'luk foton, elektronu kaldırmak için 1,1 eV kullanır, kalan 0,9 eV'u ısı olarak bırakır [S3]; yani o fotonun enerjisinin 0,9 / 2,0 = %45'i kaybolur. 0,5 µm'lik (yeşil) bir foton 1,24 / 0,5 ≈ 2,48 eV taşır: 1,38 eV, yaklaşık %56'sı ısı olur. 1,55 µm'lik bir foton yalnızca 0,8 eV taşır ve içinden geçip gider.

Nerede bozulur? Bu iki kayıp tek bir soğurucunun doğasında vardır: küçük aralık enerjiyi ısı olarak harcar, büyük aralık daha çok ışığı geçirir. Aralığı seçmek bir uzlaşmadır [S3]; verimin tam sınırı ayrı bir konudur.

3. Önce dolaş, sonra ayrıl

Yeni oluşan elektron-boşluk çifti kontakların nerede olduğunu bilmez. Taşıyıcılar difüzyonla, yani rastgele bir yürüyüşle hareket eder ve yeniden birleşip kaybolmadan önce yalnızca sınırlı bir süre yaşarlar [S4]. Onları kurtaran pn eklemidir: bir taşıyıcı ekleme ulaşırsa eklemin elektrik alanı onu karşıya süpürür. Elektronlar n tarafına geçer, boşluklar p tarafında kalır; uzayda ayrıldıktan sonra kolay kolay yeniden birleşemezler [S4][S5].

Alan yereldir: wafer'ın tamamında değil, eklemdeki dar tükenim bölgesinde bulunur. Bu bölgede oluşan taşıyıcılar neredeyse kesin toplanır; uzaklaştıkça toplanma olasılığı, mesafenin difüzyon uzunluğuna (taşıyıcının yeniden birleşmeden önce tipik olarak dolaştığı mesafe) oranıyla düşer [S2].

Kendin kontrol et. En basit durumda PVEducation toplanma olasılığını CP = exp(−x / L) olarak verir; x eklemden uzaklık, L difüzyon uzunluğudur [S2]. Bir difüzyon uzunluğu ötede doğan taşıyıcı e⁻¹ ≈ 0,37 olasılıkla toplanır; iki difüzyon uzunluğunda e⁻² ≈ 0,14.

Nerede bozulur? Alanı bütün hücreye yaymak ya da taşıyıcıları doğdukları yerden kontağa dümdüz giderken çizmek. Taşıyıcıların çoğu ömrünün çoğunu dolaşarak geçirir.

4. Alan bir ayırıcıdır, pil değil

Eklem alanı bir enerji kaynağı olsaydı, karanlıktaki hücre bir telden akım geçirirdi. Geçirmez. Karanlıkta eklem dengededir: alanın yol açtığı sürüklenme akımı ile ters yönde akan difüzyon akımı küçüktür ve birbirini dengeler; net akım akmaz [S6]. Yerleşik alanın kendisi de tam bu dengeyle oluşur [S5].

Işık tabloyu taşıyıcı ekleyerek değiştirir. Eklem bunları ayırır; bu ayırma, fotonların verdiği enerjinin ısı yerine elektrik enerjisi olarak hücreden çıkmasını sağlar. Hesap basittir: ışık öder, eklem ayırır, yük harcar.

5. Topla, ilet, geri dön

Metal kontaklar ayrılan taşıyıcıları toplar [S7]. Dış devre iki tarafı bağladığında elektronlar n tarafından telden, yükten geçerek p tarafına akar ve orada boşluklarla birleşir [S3]. Yükten geçen bu akım kullanılabilir enerjidir [S3]. Hücre bir dönüştürücüdür: güneş ışığını depolamaz; ışık kesilince akım da kesilir.

Kendin kontrol et. 0,50 V'ta örnek hücremiz 40 − I0(e^12,5 − 1) ≈ 36,7 mA verir; burada I0 = 40 mA / (e¹⁵ − 1). Yük böylece 0,50 V × 36,7 mA ≈ 18,4 mW alır. Böyle bir noktanın olabilecek en iyi noktayla karşılaştırılması (dolum faktörü, verim) solar-cell-parameters videosunun konusu.

Nerede bozulur? Geleneksel akımı ve elektron akışını aynı oklarla çizmek. Elektronlar n tarafındaki kontaktan çıkar; geleneksel akım ters yönde çizilir.

Ek: ışık iki katına çıkınca gerilim neden neredeyse aynı kalır?

Ayrılan taşıyıcılar birikir: elektronlar n tarafında, boşluklar p tarafında. Bu birikim eklemi ileri yönde kutuplar ve engelini düşürür; eklemin kendi ileri yön (difüzyon) akımı artar. Yük bağlı değilken gerilim, bu ileri yön akımı ışık akımını tam dengeleyene kadar yükselir; o gerilim açık devre gerilimidir, Voc [S6]. İleri yön akımı gerilimle üstel büyüdüğü için Voc = (nkT/q) ln(IL/I0 + 1) ışıkla yalnızca logaritmik artar; kısa devre akımı ise ışıkla orantılı büyür [S8][S9].

Kendin kontrol et. Örnek hücreyle (ısıl gerilim terimi 0,04 V): 20 mA'de 0,572 V, 40 mA'de 0,600 V, 80 mA'de 0,628 V, 400 mA'de (on kat ışık) yalnızca 0,692 V. Her ikiye katlama 0,04 × ln 2 ≈ 28 mV ekler. Oda sıcaklığındaki ideal diyot için (n = 1) bu adım yaklaşık 18 mV'tur [S8].

Bir de katı bir tavan var. Ayrılmış bir çiftten alınabilecek enerji bant aralığını aşamaz; bu yüzden silisyum hücrenin gerilimi yaklaşık 1,1 V'u geçemez [S3]. Gerçek hücreler bunun epey altında kalır, çünkü I0'ı yeniden birleşme belirler: PVEducation ticari silisyum hücreler için yaklaşık 0,69 V, en iyileri için 0,764 V'a kadar değer verir [S9].

Işık silisyumun zaten sahip olduğu elektronları kaldırır, eklem onları ayırır, yük enerjilerini harcar. Akım ışığı izler; gerilimi eklem belirler, bant aralığı sınırlar.

Kendin dene

1,0 µm'lik bir foton silisyuma (aralık 1,1 eV) çarpıyor. Bantlar arası soğurulur mu? E = 1,24 / 1,0 = 1,24 eV ≥ 1,1 eV: evet; 0,14 eV ısı olur.
Bir çift eklemden yarım difüzyon uzunluğu ötede doğuyor. Basit modelde toplanma olasılığı? e^−0,5 ≈ 0,61.
Örnek hücre yarı ışık altında (20 mA). Voc kaç? 0,04 × ln(20 / I0 + 1) ≈ 0,572 V; yalnızca 28 mV daha düşük.
Tek bir silisyum hücre çok parlak ışıkta 1,5 V'a ulaşabilir mi? Hayır: gerilimi bant aralığını, yaklaşık 1,1 V'u aşamaz; daha yüksek gerilim için hücreler seri bağlanır.