Een atomaire beschrijving van silicium Het siliciummolecuul

Kristallijn silicium was het halfgeleidermateriaal dat in de vroegste succesvolle PV-apparaten werd gebruikt en is nog steeds het meest gebruikte PV-materiaal. Terwijl andere PV-materialen en ontwerpen het PV-effect op iets andere manieren benutten, geeft inzicht in hoe het effect in kristallijn silicium werkt ons een basiskennis van hoe het werkt in alle apparaten.

Inzicht in de rol van atomen

Alle materie bestaat uit atomen, die op hun beurt bestaan ​​uit positief geladen protonen, negatief geladen elektronen en neutrale neutronen. De protonen en neutronen, die ongeveer even groot zijn, vormen de dicht opeengepakte centrale "kern" van het atoom. Dit is waar bijna de hele massa van het atoom zich bevindt. Ondertussen cirkelen de veel lichtere elektronen rond de kern met zeer hoge snelheden. Hoewel het atoom is opgebouwd uit tegengesteld geladen deeltjes, is de totale lading neutraal omdat het een gelijk aantal positieve protonen en negatieve elektronen bevat.

Een atomaire beschrijving van silicium

De vier elektronen die in een baan rond de kern in het buitenste of 'valentie'-energieniveau worden gegeven aan, geaccepteerd van of gedeeld met andere atomen. De elektronen draaien op verschillende afstanden om de kern en dit wordt bepaald door hun energieniveau. Een elektron met minder energie zal bijvoorbeeld dichter bij de kern cirkelen, terwijl een van grotere energie verder weg cirkelt. Het zijn de elektronen die het verst van de kern verwijderd zijn en die in wisselwerking staan ​​met die van aangrenzende atomen om te bepalen hoe vaste structuren worden gevormd.

Het siliciumkristal en de omzetting van zonne-energie in elektriciteit

Hoewel het siliciumatoom 14 elektronen heeft, staat hun natuurlijke orbitale opstelling toe dat alleen de buitenste vier worden gegeven aan, geaccepteerd van of gedeeld met andere atomen. Deze buitenste vier elektronen worden "valentie" -elektronen genoemd en ze spelen een enorm belangrijke rol bij het produceren van het fotovoltaïsche effect. Dus wat is het fotovoltaïsche effect of PV? Het fotovoltaïsche effect is het fysische basisproces waardoor een fotovoltaïsche cel energie van de zon omzet in bruikbare elektriciteit. Zonlicht zelf bestaat uit fotonen of deeltjes zonne-energie. En deze fotonen bevatten verschillende hoeveelheden energie die overeenkomen met de verschillende golflengten van het zonnespectrum.

Het is wanneer silicium in zijn kristallijne vorm is dat omzetting van zonne-energie in elektriciteit kan plaatsvinden. Grote aantallen siliciumatomen kunnen samen binden om een ​​kristal te vormen door hun valentie-elektronen. In een kristallijne vaste stof deelt elk siliciumatoom normaal een van zijn vier valentie-elektronen in een "covalente" binding met elk van de vier aangrenzende siliciumatomen.

De vaste stof bestaat dan uit basiseenheden van vijf siliciumatomen: het oorspronkelijke atoom plus de vier andere atomen waarmee het zijn valentie-elektronen deelt. In de basiseenheid van een kristallijn vast silicium deelt een siliciumatoom elk van zijn vier valentie-elektronen met elk van vier aangrenzende atomen. Het vaste siliciumkristal bestaat uit een regelmatige reeks eenheden van vijf siliciumatomen. Deze regelmatige en vaste rangschikking van siliciumatomen staat bekend als het "kristalrooster".