De werking
van de zonnecel
Het atoom:
Is gebaseerd op het atoommodel van Niels Bohr
(1885-1962).
Niels Bohr wordt algemeen gezien als één van de grondleggers van de atoomfysica. Waar Ernest Rutherford als groot experimentator veel
over de interne opbouw van het atoom ontdekte, was het de
grote verdienste van Bohr om een theoretische grondslag voor dit nieuwe atoommodel te
formuleren, waarmee hij tevens een grote bijdrage leverde aan de meest spraakmakende tak van fysica in
de 20e eeuw: de kwantummechanica.
De atoomtheorie:
Een molecule is het kleinste deeltje van een stof dat nog alle
eigenschappen van die stof bezit.
Deze molecule kan nog verder opgesplitst worden in kleinere
deeltjes, namelijk de atomen. Een atoom bestaat uit een kern en elektronen, die
zich in verschillende banen om de kern heen bewegen. De kern is opgebouwd uit
twee soorten deeltjes, protonen en neutronen. Elk proton heeft een positieve
lading van dezelfde grootte als de negatieve lading van één elektron. De
neutronen hebben geen lading, zij zijn elektrisch neutraal. Een neutraal atoom
bevat evenveel protonen in de kern als elektronen die eromheen bewegen. De
lading van één elektron is de kleinste negatieve lading die er bestaat. De
elektrische lading is een grootheid met het symbool Q en de eenheid C
(Coulomb).
De kleinste negatieve lading die bestaat, is de lading van één
elektron,
Qe= -1,60 . 10-
Een
atoom wordt o.a. gekenmerkt door het aantal protonen in de kern en het aantal
elektronen om de kern en is voor elke elementaire stof verschillend. De
elektronen van het atoom worden verdeeld over verschillende schillen. Elke
schil kan volgens de formule e = 2 * n^2 maximum aantal
elektronen bevatten. Hier is e het
aantal elektronen en n het schilnummer. Op de eerste schil
kunnen dus maximum 2 elektronen aanwezig zijn; op de tweede schil maximum 8 en
op de derde schil 18 elektronen enz. De buitenste schil van een atoom wordt de
valentieschil genoemd. Op deze schil bevinden zich de valentie-elektronen.
Het ladingstransport:
Een
natriumatoom heeft in de buitenste schil één elektron. In een vast stuk natrium
raken de buitenste schillen van buuratomen elkaar. Als een elektron op zo’n
‘raakpunt’ komt dan is de aantrekkingskracht van beide kernen even groot, het
elektron ‘weet’ dan niet meer bij welke kern het hoort. Het hangt van het
toeval af om welke kern het gaat draaien. De elektronen uit de buitenste
schillen zijn dus als het ware vrij om door het hele stuk natrium heen te
bewegen. We noemen ze daarom vrije elektronen.
Geleiders, halfgeleiders en
isolatoren:
In
een stof met veel vrije elektronen kan lading zich makkelijk verplaatsen. Zo’n
stof heet dan een geleider.
In
stoffen met vrijwel geen vrije elektronen kan lading zich niet verplaatsen.
Zo’n stof heet een isolator.
Er
zijn ook stoffen zoals germanium of silicium, met vier
valentie-elektronen op de buitenste schil, die alleen vrije elektronen hebben
als ze verwarmd worden of als er licht op valt. Deze stoffen noemen we
halfgeleiders.
Een
silicium atoom bevat 14 elektronen waarvan 4 op de buitenste schil.
In
een zuivere silicium kristalstructuur worden de 4 valentie-elektronen gebonden aan 4
nabijgelegen atomen, zoals aangeduid in de figuur. Dit type binding, wordt een
covalente binding genoemd. Hoewel de valentie-elektronen sterk gebonden zijn
door deze covalente binding, is het toch mogelijk dat een valentie-elektron
voldoende kinetische energie verkrijgt om de binding te verbreken. Deze vrije
elektronen worden intrinsieke ladingsdragers genoemd.
Bij
kamertemperatuur is er ongeveer 1 vrij elektron per 5*1010 Si atomen.
Dit
blijkt ontoereikend te zijn om dit halfgeleidermateriaal te bestempelen als een
PV-generator. Om de toename van vrije elektronen in halfgeleidermateriaal te
stimuleren wordt dopering met vreemde atomen toegepast.
Dopering : n- en p-type
materialen:
Een
fosfor atoom bevat 15 elektronen waarvan 5 op de buitenste schil.
Het n-type materiaal wordt gevormd
door als onzuiverheid een element toe te voegen dat 5 valentie-elektronen bezit
(vb. fosfor). Het effect van het vijfde elektron is voorgesteld in de figuur: de
4 covalente bindingen zijn nog steeds aanwezig maar er is een bijkomend vijfde
elektron van de onzuiverheid. Dit elektron is niet geassocieerd met één
welbepaalde covalente binding en is slechts zwak gebonden aan de onzuiverheid,
zodat het relatief vrij kan bewegen in dit aldus gevormde n-type materiaal. Onzuiverheden
met 5 valentie-elektronen worden donoratomen genoemd. Het is
belangrijk op te merken dat, hoewel er aldus “vrije” ladingsdragers gecreëerd
zijn in het n-type materiaal het materiaal nog steeds elektrisch neutraal is.
Een borium atoom bevat
5 elektronen waarvan 3 op de buitenste schil.
Het p-type materiaal wordt gevormd door zuiver Silicium te doperen met vreemde atomen met 3 valentie-elektronen (vb. borium), zoals voorgesteld in de figuur. Bijgevolg is er een elektron te kort om de covalente binding te vormen. Deze vacature wordt een gat genoemd en wordt voorgesteld door een cirkeltje of een plusteken t.g.v. het tekort aan een negatieve lading. Het resulterende p-type materiaal is ook elektrisch neutraal. Onzuiverheden met 3 valentie-elektronen worden acceptor atomen genoemd.
De p-n junctie:
Een halfgeleiderdiode,
voorgesteld in de figuur, wordt gevormd door het in kristallografisch contact
brengen van n-type en p-type materiaal. Op het ogenblik dat de twee materialen
bijeengebracht worden zullen de elektronen en de gaten in het gebied van de
junctie recombineren, waardoor een tekort aan ladingsdragers ontstaat in het
gebied van de junctie. Dit gebied van positieve en negatieve ionen wordt het
verarmingsgebied genoemd.
De
minderheids-ladingsdragers van het n-type materiaal die zich in de buurt van
het verarmingsgebied bevinden zullen (nagenoeg) onmiddellijk overgaan naar het
p-type materiaal. Hoe dichter de minderheids-ladingsdrager zich bij de junctie
bevindt, hoe groter de aantrekkingskracht van de positieve ionen en hoe kleiner
de tegenwerking van de negatieve ionen. Een gelijkaardige redenering kan
toegepast worden op minderheids-ladingsdragers (elektronen) van het p-type
materiaal.
Zo zal in het
p-materiaal een dun laagje ontstaan wat negatief geladen is. Op dezelfde manier
ontstaat in het n-materiaal een laagje wat positief geladen is. Er ontstaat dan
een elektrisch veld, zodat na verloop van tijd de recombinatie stopt. De twee
laagjes vormen samen de p-n-overgang
.
De elektronenstroom bij lichtinval:
Wanneer licht de
zonnecel binnenvalt zullen er binnen de halfgeleider elektronen losgestoten
worden. Deze losgestoten elektronen kunnen vrij bewegen binnen de halfgeleider. Doordat er een
elektrisch veld over het halfgeleidermateriaal staat zullen de vrije elektronen
allen dezelfde richting op gaan bewegen nl. de richting van het positief veld.
Er zal dus een stroompje gaan vloeien.
Hyperlink: De I-V curve van de PV-cel