Ma’ruz Quyosh energiyasini

Ma’ruza3.Quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantirishning fizik asoslari
Yuqorida aytib o'tilganidek, quyosh energiyasini issiqlik energiyasiga va elektr energiyasiga aylantirish mumkin. Va agar issiqlik energiyasiga aylanish jarayoni savollar tug'dirmasa, quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantirish batafsilroq o'rganishni talab qiladi.
Quyosh batareyalarini elektrga aylantirish quyidagi ikkita sxematik diagramma bo'yicha amalga oshirilishi mumkin:
an'anaviy issiqlik elektr stantsiyalarida (IES) termodinamik; ushbu sxema yirik quyosh energetikasi ob'ektlarini qurish va keng miqyosda elektr energiyasini ishlab chiqarishga qaratilgan;
foto yoki termodinamik elementlarda.
Dielektriklarning elektron o'tkazuvchanligi xususiyatlariga asoslangan quyosh energiyasini fotoelektrik (to'g'ridan-to'g'ri) elektr energiyasiga aylantirish hozirgi vaqtda undan foydalanishning ustuvor yo'nalishlaridan biridir.
Keling, yarim o'tkazgichlarda, masalan, tipik yarim o'tkazgich bo'lgan kremniyda o'tkazuvchanlik elektronlarining hosil bo'lish jarayoniga batafsil to'xtalib o'tamiz.

Kremniy atomi davriy tizimda seriya raqamiga ega Z = 14. Shuning uchun kremniy atomi yadrosining zaryadi +14e va uning atomida 14 ta elektron mavjud. Biroq, ulardan faqat to'rttasi zaif bog'langan. Aynan shu kuchsiz bog'langan elektronlar kimyoviy reaksiyalarda qatnashadi va kremniyning to'rt valentligini aniqlaydi, shuning uchun ular valentlik elektronlari deb ataladi. Qolgan o'n elektron yadro bilan birgalikda +14e - 10e = +4e zaryadiga ega bo'lgan atomning skeletini tashkil qiladi. U yadro atrofida harakatlanib, manfiy zaryad bulutini hosil qiluvchi to'rtta valentlik elektron bilan o'ralgan (1-rasm).

Rasm 1. Kremniy atomi va uning to‘rt valentlik bog‘lari

Kremniy panjarasidagi atomlarning joylashishi shundayki, har bir atom eng yaqin to'rtta qo'shni bilan o'ralgan (2-rasm). Ikki qo'shni atomning bog'lanishi juft elektron yoki valentlik bog'lanish deb ataladigan elektron juftligi tufayli yuzaga keladi.

Rasm 2. Kremniy kristalidagi juft-elektron aloqalari

Shaklda ko'rsatilgan. 2, rasm sof kremniyga (ifloslarning ta'siri quyida muhokama qilinadi) va juda past haroratga mos keladi. Bu holda barcha valentlik elektronlar atomlar orasidagi bog'lanishning shakllanishida ishtirok etadilar, strukturaviy elementlardir va elektr o'tkazuvchanligida qatnashmaydilar.
Kristal haroratining oshishi bilan (masalan, quyosh energiyasi bilan isitish tufayli) panjaraning termal tebranishlari ba'zi valentlik bog'lanishlarining uzilishiga olib keladi. Natijada, avval valentlik bog‘lanish hosil bo‘lishida ishtirok etgan elektronlarning bir qismi bo‘linib, o‘tkazuvchi elektronga aylanadi. Elektr maydoni mavjud bo'lganda, ular maydonga qarshi harakatlanib, elektr tokini hosil qiladi.

Biroq, o'tkazuvchanlik elektronlari yordamida zaryad o'tkazish jarayoniga qo'shimcha ravishda, elektr o'tkazuvchanligining boshqa mexanizmi ham mumkin. Buning sababi shundaki, valentlik bog'lanishning har bir uzilishi bog'lanmagan bo'sh joyning paydo bo'lishiga olib keladi. Bog'lanish elektronlari etishmayotgan bunday "bo'sh" joylar "teshiklar" deb ataladi (3-rasm).

Guruch. 3. Kremniy panjarasidagi o'tkazuvchan elektron va teshikning ko'rinishi

Yarimo'tkazgich kristalidagi teshiklarning paydo bo'lishi zaryad o'tkazish uchun qo'shimcha imkoniyat yaratadi. Haqiqatan ham, teshik mavjud bo'lganda, bog'lovchi elektronlarning har biri teshik joyiga borishi mumkin. Natijada, bu joyda normal aloqa tiklanadi, lekin boshqa joyda teshik paydo bo'ladi. O'z navbatida, boshqa bog'lanish elektronlarining istalgani bu yangi teshikka o'tishi mumkin va hokazo.
Bunday jarayon ko'p marta sodir bo'ladi, buning natijasida oqim hosil bo'lishida nafaqat o'tkazuvchanlik elektronlari, balki bog'langan elektronlar ham ishtirok etadi, bu oqim o'tkazuvchanlik elektronlari kabi elektr maydoniga qarshi asta-sekin harakat qiladi. Teshiklarning o'zi teskari yo'nalishda, elektr maydoni yo'nalishida harakat qiladi, ya'ni. musbat zaryadlangan zarralarning harakat qilish usuli (4-rasm). Bu jarayon teshik o'tkazuvchanligi deb ataladi. Binobarin, yarim o'tkazgichlarda elektr o'tkazuvchanligining ikki xil jarayoni mumkin: elektron, o'tkazuvchanlik elektronlari harakati bilan amalga oshiriladi va teshiklar harakati tufayli teshik.

Rasm 4. Teshik o'tkazuvchanligi sxemasi:

• 
  bog'langan elektronlardir; O - bo'sh ish o'rinlari (teshiklar)
  

Bir qarashda, teshiklar yordamida elektr o'tkazuvchanligi g'oyasi juda sun'iy va hatto asossiz bo'lib tuyulishi mumkin, chunki teshiklar, ya'ni. "Bo'sh" joylar, albatta, elektr zaryadini o'tkaza olmaydi, lekin aslida, biz ko'rganimizdek, zaryad o'tkazish bog'langan elektronlarning harakati bilan amalga oshiriladi. Gap shundaki, elektronlar harakati klassik emas, balki kvant mexanikasi qonunlariga bo‘ysunadi. Va kvant mexanikasi qonunlari shuni ko'rsatadiki, agar aloqa elektronlari kontsentratsiyasiga nisbatan faqat teshiklarning kontsentratsiyasi kichik bo'lsa, u holda oddiy harakat qonunlari faqat teshiklar uchun olinadi, lekin bog'lanish elektronlari uchun emas. Aniqlanishicha, elektr va magnit maydonlardagi teshiklar zaryadi + e va ma'lum bir massaga ega (elektron massasiga teng bo'lmagan) musbat zaryadlangan zarralar kabi harakat qiladi. Shuning uchun teshiklar ishtirokidagi barcha elektr jarayonlari xuddi manfiy o'tkazuvchanlik elektronlari bilan bir qatorda musbat zaryadlangan zarralar - teshiklar ham mavjud bo'lganday sodir bo'ladi.
Elektronlarning bog'langan holatdan erkin holatga o'tishlari bilan bir qatorda teskari o'tishlar ham mavjud bo'lib, ularda o'tkazuvchanlik elektroni bog'langan elektronlarning bo'sh joylaridan birida ushlanib qoladi. Bu jarayon elektron-teshik rekombinatsiyasi deb ataladi. Muvozanat holatida elektronlarning bunday kontsentratsiyasi (va teshiklarning teng kontsentratsiyasi) o'rnatiladi, bunda vaqt birligidagi to'g'ridan-to'g'ri va teskari o'tishlar soni bir xil bo'ladi.
Kimyoviy aralashmalar va boshqa panjara nuqsonlaridan butunlay xoli bo'lgan mukammal sof yarimo'tkazgichlarda ko'rib chiqilgan o'tkazuvchanlik jarayoni ichki o'tkazuvchanlik deb ataladi.

Keling, davriy sistemada kremniydan ko'ra chap tomonda joylashgan elementning nopoklik atomi qanday harakat qilishini ko'rib chiqamiz; uchinchi guruhdagi bor bo'lsin. Bor atomi faqat uchta valentlik elektronga ega, kremniy panjarasidagi normal valentlik aloqasi uchun to'rtta elektron kerak bo'ladi.

Yo'qolgan to'rtinchi elektron kristallning qo'shni joylaridan tutib olinadi, tegishli joyda teshik hosil bo'ladi va bor atomi manfiy ionga aylanadi (5b-rasm). Shunday qilib, kremniy kristalida bor bo'lsa ham, oqim paydo bo'lishi mumkin bo'ladi, ammo mishyak holatidan farqli o'laroq, bu erda elektr toki elektronlar emas, balki teshiklarning harakati tufayli bo'ladi.
Binobarin, yarimo'tkazgichlarning elektr o'tkazuvchanligi aralashmalar (nopoklik o'tkazuvchanligi) tufayli ham bo'lishi mumkin. O'tkazuvchanlik elektronlarining paydo bo'lishiga olib keladigan aralashmalar (masalan, kremniydagi mishyak) donor aralashmalar, teshiklar paydo bo'lishiga olib keladigan aralashmalar (masalan, kremniydagi bor) akseptor deb ataladi.
Yuqoridagilarni umumlashtirgan holda, biz yarimo'tkazgichlarning ulardagi elektr o'tkazuvchanligi ham mobil elektronlar, ham teshiklar tufayli bo'lishi mumkin bo'lgan xususiyatga ega ekanligini ko'ramiz. Agar yarimo'tkazgichdagi elektronlarning kontsentratsiyasi teshiklar kontsentratsiyasidan sezilarli darajada katta bo'lsa, unda biz yarimo'tkazgich elektron o'tkazuvchanlikka yoki n-tipli o'tkazuvchanlikka ega (salbiydan - salbiy) deymiz. Agar musbat teshiklar sezilarli darajada ustunlik qilsa, u holda elektr o'tkazuvchanligi teshik yoki p-tipi (pozitivdan - musbat) deb ataladi. Ko'pchilikda ifodalangan zaryad tashuvchilar (n-tipli yarim o'tkazgichdagi elektronlar va p-tipli yarim o'tkazgichdagi teshiklar) ko'pchilik zaryad tashuvchilar, ozchilikda mavjud bo'lganlar esa kichiklar deb ataladi. Agar elektronlar va teshiklarning kontsentratsiyasi bir-biriga o'xshash bo'lsa, unda biz aralashgan o'tkazuvchanlikka egamiz.

Masalan, past haroratlarda mishyak bilan qo'shilgan kremniy faqat nopoklik o'tkazuvchanligiga ega va n- tipli yarim o'tkazgichdir. Undagi asosiy zaryad tashuvchilar elektronlar, kichiklari esa teshiklardir.

Ikkinchisi faqat valentlik bog'lanishlarining uzilishi natijasida paydo bo'ladi va ularning soni past haroratlarda kichikdir. Ammo harorat oshishi bilan bunday jarayonlarning soni ortadi va sezilarli ichki o'tkazuvchanlik paydo bo'ladi. Bunday holda, teshiklar soni ham ortadi va elektr o'tkazuvchanligi turga qarab aralashadi. Etarlicha yuqori haroratlarda nopoklik o'tkazuvchanligi, aksincha, o'ziga xosidan ancha past bo'ladi va teshik kontsentratsiyasi deyarli elektron kontsentratsiyasiga teng bo'ladi.
N-tipli yarimo'tkazgichlarda asosiy harakatlanuvchi zaryad tashuvchilar manfiy elektronlar, p-tipli yarim o'tkazgichlarda esa musbat teshiklardir. Ikki yarim o'tkazgich o'rtasidagi aloqada elektronlar va teshiklar bir yarim o'tkazgichdan ikkinchisiga o'tish imkoniyatini oladi va shuning uchun yarimo'tkazgichlar o'rtasida, shuningdek, metallar o'rtasida kontakt potentsial farqi paydo bo'ladi va nozik bir kontaktli elektr maydoni paydo bo'ladi. chegara qatlami.
Agar bir xil turdagi ikkita yarimo'tkazgich aloqada bo'lsa (ikkala elektron yoki ikkala teshik), u holda ikkala yarim o'tkazgich ham bir xil zarralarni almashtiradi: elektronlar yoki teshiklar va bu holda hodisalar ikkita kontaktli metallardagi hodisalarga juda o'xshash. Shuning uchun biz faqat yarimo'tkazgichlardan biri elektron o'tkazuvchanlikka (n-tip), ikkinchisi esa teshikka (p-tip) ega bo'lgan holatga to'xtalamiz.
E'tibor bering, sof shakldagi bunday kontaktni ikkita yarim o'tkazgichni bir-biriga bosish orqali olish mumkin emas, chunki sirt pürüzlülüğü tufayli aloqa faqat bir nechta nuqtalarda sodir bo'ladi; ular orasida havo bo'shliqlari bo'ladi, ularda oksidli plyonkalar hosil bo'ladi va kontakt murakkab tuzilishga ega bo'ladi. Shuning uchun p-n kontaktini olish uchun odatda ikkita ifloslik sof yarimo'tkazgich (masalan, germaniy yoki kremniy) plastinkasiga kiritiladi - bir donor (ya'ni, elektron o'tkazuvchanlik) va boshqa qabul qiluvchi (aloqa teshik o'tkazuvchanligi) - va tarqatish. ularni shunday qilib, bir uchida nopoklardan biri ortiqcha, ikkinchi uchida esa boshqasi ortiqcha bo'lgan. Keyin plastinkaning yarmida elektron o'tkazuvchanlik, ikkinchisida esa teshik o'tkazuvchanligi sodir bo'ladi va ikkala hudud o'rtasida nozik o'tish qatlami joylashgan bo'lib, unda ikkala aralashma bir-birini qoplaydi (elektron-teshik o'tishi yoki p-n o'tish).

Avval oqim bo'lmaganda p-n kontaktini ko'rib chiqing. Issiqlik harakati tufayli n-hududdagi elektronlar p- mintaqaga boradi (va u erda teshiklar bilan qayta birlashadi), p-mintaqasidan n-mintaqaga teshiklar (va elektronlar bilan qayta birlashadi). Shuning uchun, n-mintaqada, interfeys yaqinida, musbat fazo zaryadi, p-mintaqada esa manfiy fazo zaryadi paydo bo'ladi; n-mintaqasi ijobiy potentsialga ega bo'ladi va undagi elektronning energiyasi kamroq bo'ladi (elektronning zaryadi manfiy bo'lgani uchun), p-mintaqaning potentsiali manfiy va undagi elektronning energiyasi. ortadi. Elektron potentsial energiya taqsimoti egri WE shaklda ko'rsatilgan shaklga ega bo'ladi. 6, lekin qattiq egri chiziq. Aksincha, musbat tuynuklarning energiyasi WD n mintaqada yuqori va p mintaqada past bo'ladi (chiziqli egri).

Muvozanat holatida kontakt orqali o'tadigan umumiy oqim nolga teng. Bu oqim, faqat elektronlar zaryad tashuvchisi bo'lgan metallardan farqli o'laroq, ham elektronlar harakatidan, ham teshiklar harakatidan iborat.