Hiệu ứng quang điện là gì?

Hiệu ứng do năng lượng ánh sáng được chuyển đổi thành năng lượng điện trong một số vật liệu bán dẫn nhất định được gọi là hiệu ứng quang điện . Điều này trực tiếp chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện mà không cần bất kỳ quá trình trung gian. Để chứng minh hiệu ứng quang điện, chúng ta hãy giả sử một khối tinh thể silicon.
Phần trên của khối này được pha tạp với các tạp chất của nhà tài trợ và phần dưới được pha tạp với chấp nhận hoặc tạp chất. Do đó, nồng độ của các electron tự do khá cao ở vùng loại n so với vùng loại p và nồng độ lỗ trống khá cao ở vùng loại p so với vùng loại n của khối. Sẽ có một dải nồng độ cao của chất mang điện tíchqua đường giao nhau của khối. Các electron tự do từ vùng loại n cố gắng khuếch tán sang vùng loại p và lỗ trống trong vùng loại p cố gắng khuếch tán sang vùng loại n trong tinh thể. Điều này là do các chất mang điện tích tự nhiên luôn có xu hướng khuếch tán từ vùng nồng độ cao sang vùng nồng độ thấp. Mỗi electron tự do của vùng loại n trong khi đến vùng loại p do khuếch tán, nó để lại một ion tài trợ dương phía sau nó trong vùng loại n.

Điều này là do mỗi electron tự do trong vùng loại n được đóng góp bởi một nguyên tử trung lập. Tương tự như vậy khi một lỗ được khuếch tán từ vùng loại p sang vùng loại n, nó để lại một chấp nhận âm hoặc ion phía sau nó trong vùng loại p.

Vì mỗi lỗ được đóng góp bởi một nguyên tử chấp nhận trong khu vực loại p. Cả hai ion này tức là ion nhà tài trợ và ion chấp nhận đều bất động và cố định tại vị trí của chúng trong cấu trúc tinh thể. Không cần phải nói rằng các electron tự do của vùng loại n gần nhất với vùng loại p khuếch tán đầu tiên trong vùng loại p do đó tạo ra một lớp các ion của người cho bất động dương ở vùng loại n nằm cạnh đường giao nhau .

Tương tự, các lỗ trống của vùng loại p gần nhất với vùng loại n khuếch tán đầu tiên trong vùng loại n do đó tạo ra một lớp các ion chấp nhận bất động âm trong vùng loại p nằm cạnh đường giao nhau. Các lớp nồng độ ion dương và âm này tạo ra một điện trường trên đường giao nhau được định hướng từ dương sang âm mà từ phía loại n sang phía loại p. Bây giờ do sự hiện diện của các hạt mang điện trường trong tinh thể này trải qua một lực để trôi theo hướng của điện trường này. Như chúng ta đã biết điện tích dương luôn trôi theo hướng điện trường do đó các lỗ tích điện dương (nếu có) trong vùng loại n bây giờ trôi dạt về phía p của đường giao nhau.

Mặt khác, các electron tích điện âm ở vùng loại p (nếu có) trôi dạt vào vùng n vì điện tích âm luôn trôi ngược chiều với điện trường. Trên một khuếch tán tiếp giáp pn và trôi dạt của các hạt mang điện tiếp tục. Sự khuếch tán của các hạt mang điện tạo ra và làm tăng độ dày của hàng rào tiềm năng trên đường giao nhau và độ trôi của các hạt mang điện làm giảm độ dày của rào cản. Trong điều kiện cân bằng nhiệt bình thường và không có bất kỳ lực bên ngoài nào, sự khuếch tán của hạt mang điện là bằng nhau và ngược lại với sự trôi của các hạt mang điện do đó độ dày của hàng rào tiềm năng vẫn cố định.

Bây giờ bề mặt loại n của khối tinh thể silicon được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Một số photon được hấp thụ bởi khối silicon. Một số photon bị hấp thụ sẽ có năng lượng lớn hơn khoảng cách năng lượng giữa hóa trị và dải dẫn của các electron hóa trị của các nguyên tử silicon. Do đó, một số electron hóa trị trong liên kết cộng hóa trị sẽ bị kích thích và nhảy ra khỏi liên kết để lại một lỗ trống trong liên kết. Theo cách này, các cặp lỗ electron được tạo ra trong tinh thể do ánh sáng tới. Các lỗ trống của các cặp lỗ electron tạo ra ánh sáng ở phía loại n này có đủ khả năng tái hợp với các electron khổng lồ (đa số mang). Do đó, pin mặt trời được thiết kế đến mức các electron hoặc lỗ trống được tạo ra ánh sáng sẽ không có đủ cơ hội để tái hợp với các chất mang đa số.

Chất bán dẫn (silicon) được pha tạp đến mức mối nối pn hình thành trong vùng lân cận rất gần với bề mặt tiếp xúc của tế bào. Nếu một cặp lỗ điện tử được tạo ra trong vòng một thiểu số chiều dài tàu sân khuếch tán, các đường giao nhau, các electron của cặp electron-lỗ trống sẽ trôi dạt về phía n-type khu vực và lỗ của cặp sẽ quét để p khu vực do trong ảnh hưởng của điện trường của đường giao nhau và do đó trên trung bình, nó sẽ đóng góp vào dòng điện trong mạch ngoài.