„Fotovoltaický efekt“ je základní fyzický proces, kterým PV článek přeměňuje sluneční světlo na elektřinu. Sluneční světlo se skládá z fotonů nebo částic sluneční energie. Tyto fotony obsahují různá množství energie odpovídající různým vlnovým délkám slunečního spektra.
Když fotony zasáhnou PV buňku, mohou se odrazit nebo absorbovat, nebo mohou projít přímo skrz. Pouze absorbované fotony vyrábějí elektřinu. Když k tomu dojde, energie fotonu je přenesena na elektron v atomu buňky (což je ve skutečnosti a polovodič).
Díky své nově objevené energii je elektron schopen uniknout ze své normální polohy spojené s tímto atomem a stát se součástí proudu v elektrickém obvodu. Tím, že opustí tuto pozici, elektron způsobí “díru” se tvořit. Speciální elektrické vlastnosti FV článku - vestavěné elektrické pole - poskytují napětí potřebné k pohonu proudu prostřednictvím vnější zátěže (například žárovky).
K indukci elektrického pole uvnitř FV článku jsou sendvičovány dva oddělené polovodiče. Typy polovodičů typu „p“ a „n“ odpovídají „kladným“ a „záporným“ částkám kvůli jejich hojnosti děr nebo elektronů (další elektrony vytvářejí typ „n“, protože elektron má ve skutečnosti zápornou hodnotu nabít).
Přestože oba materiály jsou elektricky neutrální, křemík typu n má nadbytek elektronů a křemík typu p má nadbytek otvorů. Spojením těchto dohromady vytvoří na svém rozhraní p / n spojení, čímž vytvoří elektrické pole.
Když jsou polovodiče typu p a n vloženy dohromady, přebytečné elektrony v materiálu typu n proudí do typu p a otvory se tím během tohoto procesu uvolňují do typu n. (Koncept pohybu díry je poněkud podobný pohledu na bublinu v kapalině. I když je to tekutina, která se skutečně pohybuje, je snazší popsat pohyb bubliny, když se pohybuje v opačném směru tento tok elektronů a děr, dva polovodiče fungují jako baterie, vytvářející elektrické pole na povrchu, kde se setkávají (známé jako "křižovatka"). Toto pole způsobuje, že elektrony vyskočí z polovodiče na povrch a zpřístupní je pro elektrický obvod. Současně se díry pohybují opačným směrem, směrem k pozitivnímu povrchu, kde čekají na příchozí elektrony.
V PV buňce jsou fotony absorbovány ve vrstvě p. Je velmi důležité "naladit" tuto vrstvu na vlastnosti přicházejících fotonů, aby absorbovaly co nejvíce a tím uvolnily co nejvíce elektronů. Další výzvou je zabránit elektronům v setkávání se s otvory a „rekombinování“ s nimi dříve, než mohou uniknout z buňky.
Abychom to mohli udělat, navrhujeme materiál tak, aby byly elektrony uvolněny co nejblíže ke křižovatce, takže elektrické pole může pomoci poslat je přes “vodivou” vrstvu (n vrstva) a ven do elektrické obvod. Maximalizací všech těchto charakteristik zlepšujeme účinnost přeměny * FV článku.
Abychom vytvořili efektivní solární článek, snažíme se maximalizovat absorpci, minimalizovat odraz a rekombinaci, a tím maximalizovat vedení.
Nejběžnějším způsobem výroby křemíkového materiálu typu p nebo n je přidání prvku, který má zvláštní elektron nebo mu chybí elektron. V křemíku používáme proces zvaný „doping“.
Jako příklad použijeme křemík, protože krystalický křemík byl polovodičovým materiálem používaným v prvních úspěšných fotovoltaických zařízeních, stále je to nejpoužívanější fotovoltaický materiál, ačkoli jiné fotovoltaické materiály a konstrukce využívají PV efekt poněkud odlišným způsobem, protože vědět, jak tento efekt funguje v krystalickém křemíku, nám dává základní představu o tom, jak funguje ve všech zařízeních.
Jak je znázorněno na tomto zjednodušeném schématu výše, křemík má 14 elektronů. Čtyři elektrony, které obíhají jádro v nejvzdálenější nebo „valenční“ energetické úrovni, jsou dány, přijímány nebo sdíleny s jinými atomy.
Veškerá hmota se skládá z atomů. Atomy jsou zase složeny z pozitivně nabitých protonů, negativně nabitých elektronů a neutrálních neutronů. Protony a neutrony, které mají přibližně stejnou velikost, obsahují těsně zabalené centrální „jádro“ atomu, kde se nachází téměř veškerá hmotnost atomu. Mnohem lehčí elektrony obíhají jádro při velmi vysokých rychlostech. Ačkoli je atom vytvořen z opačně nabitých částic, jeho celkový náboj je neutrální, protože obsahuje stejný počet pozitivních protonů a negativních elektronů.
Elektrony obíhají kolem jádra v různých vzdálenostech, v závislosti na jejich energetické hladině; elektron s menší energií obíhá blízko jádra, zatímco jeden s větší energií obíhá dál. Elektrony nejdále od jádra interagují s těmi sousedních atomů, aby určily způsob, jakým se tvoří pevné struktury.
Atom křemíku má 14 elektronů, ale jejich přirozené orbitální uspořádání umožňuje pouze vnější čtyři z nich být dáno, přijato nebo sdíleno s jinými atomy. Tyto vnější čtyři elektrony, nazývané "valenční" elektrony, hrají důležitou roli ve fotovoltaickém jevu.
Velké množství atomů křemíku, prostřednictvím jejich valenčních elektronů, se může spojit a vytvořit krystal. V krystalické pevné látce každý atom křemíku normálně sdílí jeden ze svých čtyř valenčních elektronů v „kovalentní“ vazbě s každým ze čtyř sousedních atomů křemíku. Pevná látka se tedy skládá ze základních jednotek pěti atomů křemíku: původního atomu a dalších čtyř atomů, se kterými sdílí své valenční elektrony. V základní jednotce krystalické křemíkové pevné látky atom křemíku sdílí každý ze svých čtyř valenčních elektronů s každým ze čtyř sousedních atomů.
Tuhý krystal křemíku je tedy složen z pravidelné řady jednotek pěti atomů křemíku. Toto pravidelné a pevné uspořádání atomů křemíku je známé jako „krystalová mříž“.
Proces „dopingu“ zavádí do křemíkového krystalu atom jiného prvku, který mění jeho elektrické vlastnosti. Dopant má buď tři nebo pět valenčních elektronů, na rozdíl od křemíkových čtyř.
Atomy fosforu, které mají pět valenčních elektronů, se používají pro doping křemíku typu n (protože fosfor poskytuje svůj pátý, volný, elektron).
Atom fosforu zaujímá stejné místo v krystalové mřížce, která byla dříve obsazena atomem křemíku, který nahradil. Čtyři z jeho valenčních elektronů přebírají vazební zodpovědnost čtyř křemíkových valenčních elektronů, které nahradily. Ale pátý valenční elektron zůstává volný, bez vazebních povinností. Když je v krystalu nahrazeno křemíkem mnoho atomů fosforu, bude k dispozici mnoho volných elektronů.
Nahrazení atomu fosforu (s pěti valenčními elektrony) atomem křemíku v křemíkovém krystalu zanechává zvláštní, nevázaný elektron, který se relativně volně pohybuje kolem krystalu.
Nejběžnějším způsobem dopingu je potahování horní vrstvy křemíku fosforem a potom povrch zahřát. To umožňuje difuzním atomům fosforu do křemíku. Teplota se potom sníží, takže rychlost difúze klesne na nulu. Jiné způsoby zavádění fosforu do křemíku zahrnují plynnou difúzi, tekuté dopant stříkací proces a technika, při níž jsou ionty fosforu vháněny přesně do povrchu křemík.
Křemík typu n samozřejmě nemůže tvořit elektrické pole sám; je také nutné nechat upravit nějaký křemík, aby měl opačné elektrické vlastnosti. Bór, který má tři valenční elektrony, se používá pro doping křemíku typu p. Bór se zavádí během zpracování křemíku, kde se křemík čistí pro použití ve fotovoltaických zařízeních. Když atom boru zaujme pozici v krystalové mřížce dříve obsazené atomem křemíku, dojde k vazbě, která postrádá elektron (jinými slovy, další díra).
Stejně jako křemík musí být všechny FV materiály vyrobeny do konfigurací typu p a n, aby se vytvořilo potřebné elektrické pole, které charakterizuje FV článek. Děje se to však různými způsoby, v závislosti na vlastnostech materiálu. Například, amorfní křemík Díky jedinečné struktuře je nezbytná vnitřní vrstva (nebo vrstva i). Tato nedopovaná vrstva amorfního křemíku zapadá mezi vrstvy typu n a typu p, aby vytvořila tzv. Design „p-i-n“.
Polykrystalický tenké filmy jako je indium diselenid mědi (CuInSe2) a telurid kadmia (CdTe) vykazují pro PV buňky velký slib. Tyto materiály však nelze jednoduše dotovat do vrstev n a p. Místo toho se k vytvoření těchto vrstev používají vrstvy různých materiálů. Například, "okenní" vrstva sulfidu kadmia nebo podobného materiálu se používá k poskytnutí dalších elektronů nezbytných pro výrobu n-typu. CuInSe2 může být sám vyroben p-typu, zatímco CdTe těží z p-typu vrstvy vyrobené z materiálu, jako je tellurid zinečnatý (ZnTe).
Gallium arsenid (GaAs) je podobně modifikován, obvykle pomocí india, fosforu nebo hliníku, za vzniku široké škály materiálů typu n a p.
* Účinnost přeměny fotovoltaického článku je podíl energie slunečního světla, kterou buňka převádí na elektrickou energii. To je velmi důležité při diskusi o FV zařízeních, protože zlepšení této účinnosti je zásadní pro konkurenceschopnost FV energie s tradičními zdroji energie (např. Fosilními palivy). Pokud jeden efektivní solární panel dokáže poskytnout tolik energie jako dva méně účinné panely, budou náklady na tuto energii (nemluvě o potřebném prostoru) sníženy. Pro srovnání, první FV zařízení přeměnila asi 1% -2% sluneční energie na elektrickou energii. Dnešní fotovoltaická zařízení přeměňují 7% -17% světelné energie na elektrickou energii. Druhou stranou rovnice jsou samozřejmě peníze, které stojí za výrobu FV zařízení. To se v průběhu let také zlepšilo. Dnešní fotovoltaické systémy ve skutečnosti vyrábějí elektřinu za zlomek nákladů na dřívější fotovoltaické systémy.