Studiul comparativ al celulelor solare de diferite tipuri

CAPITOLUL I

EFECTUL FOTOVOLTAIC

1.1 Conversia fotoelectrică a energiei

Celula solară este un dispozitiv ce poate fi realizat din mai multe materiale semiconductoare care sub acţiunea radiaţiei unui flux luminos din spectrul optic transformă energia recepţionată în energie electrică pe baza a trei efecte:

Efectul fotoelectric intern;

Efectul Dember;

Efectul fotovoltaic.

Dispozitivele semiconductoare sunt fabricate din materiale semiconductoare cu rezistivitatea electrică ρ cuprinsă între 〖10〗^(-1) şi 〖10〗^3 Ω·cm, intermediar între materiale conductoare şi izolatoare, printre care cele mai uzuale sunt: Siliciul (Si), Germaniul (Ge) şi Arsenura de Galiu (GaAs).

1.1.1 Efectul fotoelectric intern

Fizicianul rus A.G. Stoletov a elaborat o metodă clasică pentru studiul acestui efect între anii 1888 şi 1890 definindul ca: “efectul fotoelectric constă în emisia de electroni în afara unui metal expus unui flux luminos”[1].

Sub acţiunea luminii, în general a cuantelor de radiaţie, proprietăţile semiconductorilor, în special conductivitatea electrică creşte şi rezistivitatea scade, acestea constituind efectul fotoelectric intern. Radiaţia luminoasă poate fi privită ca un flux de fotoni a caror frecvenţă aparţine spectrului vizibil, fiecare foton fiind considerat ca o particulă, fără masă, doar cu energie (1):

W_f=h·ν (1)

h=6.6524·〖10〗^(-34) [J/grad] reprezentand constant lui Planck,

ν este frecvenţa radiaţiei.

Fluxul de fotoni pătrunde în interiorul semiconductorului, iar prin ciocnirea acestora cu constituienţi materialului semiconductor se produce efectul fotoelectric intern datorită următoarelor cauze:

Se generează perechile electron – gol;

Se ionizează stările legate;

Se comunică energie purtătorilor liberi care devin energizati.

Variaţia conductivităţii semiconductorilui (σ) necesară produceri efectului fotoelectric intern este exprimată de următoarea formulă (2):

Δσ=e·q·α(μ_n τ_n η_n+μ_p τ_p η_p) (2)

în care: - μ_n τ_n η_n reprezintă conductivitatea de întuneric,

- μ_p τ_p η_p reprezintă conductivitatea la iluminare permanentă.

iar: e – sarcina elementară,

q – numărul fotonilor incidenţi care străbat suprafaţa semiconductorului pe direcţia fluxului în unitatea de timp,

α – probabilitatea de absorbţie a unui foton,

μ – mobilitatea purtătorilor,

τ – durata de viaţă a purtătorilor,

η – randamentul cuantic.

1.1.2 Efectul Dember

Descoperit în anul 1925 de catre Harry L. Dember de unde îi provine şi denumirea a fost studiat doar în cazul metalelor, fiind analizat ulterior pentru materiale mult mai complexe [2].