Jak moduły fotowoltaiczne wytwarzają prąd?

O fotowoltaice mówi się już od kilku lat. Chyba każdy, wie o co w tym chodzi. Ale, z pewnością wiele osób zastanawia się, jak działają moduły fotowoltaiczne. To znaczy, jak to się dzieje, że zamieniają promienie słoneczne na prąd elektryczny?

moduł fotowoltaiczny

Zobaczmy to na przykładzie krzemowego modułu fotowoltaicznego.

Prąd elektryczne to przepływ elektronów. Musimy wiec zacząć od budowy atomu…

Budowa atomu

Budowa atomu

Atom składa się z jądra (protony – ładunek elektryczny dodatni: „+” i neutrony – obojętny), wokół którego, po różnych orbitach krążą elektrony – ładunek ujemny: „-„. Nośnikami prądu w danym materiale są elektrony i tzw. dziury.

Po orbicie najdalej oddalonej od jądra krążą elektrony, które mają najwyższy poziom energii – tzw. elektrony walencyjne. Gdy doprowadzimy energię do półprzewodnika, nastąpi wybicie z orbity elektronów walencyjnych. Atom, z którego orbity uciekł elektron zyskuje ładunek dodatni.
Na orbicie walencyjnej, w miejscu skąd oderwał się elektron, pozostaje tzw. dziura, która ma ładunek dodatni „+”.

Budowa atomu krzemu

Budowa atomu krzemu

5 atomów tworzy komórkę elementarną kryształu krzemu. Mają one wspólne elektrony walencyjne – każdy atom krzemu otacza osiem elektronów walencyjnych: 4 własne i 4-ry z sąsiednich atomów, które łączą się w pary.

Budowa kryształu krzemu

Budowa kryształu krzemu

Czysty krzem nie zawiera zbyt wiele elektronów walencyjnych, co sprawia, że charakteryzuje się małą przewodnością. Dlatego, stosuje się tzw. domieszkowanie. Czyli, do kryształu krzemu wprowadzamy atomy innych pierwiastków. Dzięki temu uzyskujemy tak zwane półprzewodniki domieszkowane.

W fotowoltaice do kryształu krzemu dodaje się fosforu (P) lub bor (B).
Fosforem (P) domieszkuje się tzw. krzem typu „n”. Atom fosforu zajmuje miejsce jednego atomu krzemu. Ponieważ ma pięć elektronów walencyjnych, czyli o jeden więcej niż atom krzemu, pojawia się dodatkowy elektron pozbawiony pary.
Krzem typu „p” – uzyskuje się przez domieszkowanie borem (B). Atom boru również zastępuje jeden atom krzemu. Ma on trzy elektrony walencyjne, czyli o jeden mniej niż atom krzemu. W ten sposób w krysztale pojawia się dziura.

Krzem typu „n” i „p”.

Krzem typu „n” i „p”.

Jeśli krzem typu „n” i „p” połączymy ze sobą (zetkniemy), to miejsce w którym stykają się nazywamy warstwą przejściową – złączem „p-n”.

Złącze „p-n”.

Złącze „p-n”.

Jeśli świeci słońce (dostarcza energię), nastąpi wzbudzenie dodatkowego elektronu i oderwanie go od orbity walencyjnej atomu fosforu. Nadmiar elektronów z obszaru „n” przepłynie przez złącze „p-n”, do obszaru „p”. Elektrony zapełnią dziury w obszarze „p”. W miejscu ucieczki elektronu z obszaru „n” pojawią się nowe dziury. Zjawisko to nosi nazwę prądu dziurowego.
Jeśli do obszarów „n” i „p” doprowadzimy elektrody, to na elektrodzie obszaru „p” otrzymamy ładunek ujemny, a na elektrodzie obszaru „n” – ładunek dodatni.
Gdy zamkniemy obwód (np. podłączymy żarówkę), popłynie prąd elektryczny i żarówka będzie świecić.

Ogniwo fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne [rys. Viessmann]