DEE Aurinkosähkön perusteet

Transkriptio

1 DEE Aurinkosähkön perusteet Kolmannen luennon aihepiirit Reduktionistinen tapa aurinkokennon virta-jännite-käyrän muodon ymmärtämiseen Lähdetään liikkeelle aurinkokennosta, ja pilkotaan sitä pienempiin ja pienempiin osiin niin kauan, että on mahdollista saavuttaa riittävä ymmärrys aurinkokennon virta-jännite-käyttäytymisestä. Tavoitteena on saavuttaa mahdollisimman selväjärkinen käsitys siitä, miksi aurinkokennon virta-jännite-käyrä on tietyn muotoinen. 1 REDUKTIONISTISEN TAVAN LÄHTÖKOHDAT (1/2) Mallinnuksen hierarkiassa abstraktiotaso kasvaa alaspäin mentäessä. Maalaisjärjen voidaan ajatella olevan hierarkian ylin taso, ja toisaalta hierarkian pohjalta löytyy fysiikan perustutkimukseen liittyvä ihmisen nykytietämyksen reuna. Reduktionismin keskeinen idea on, että alemmalla tasolla ylemmän tason mallit pilkotaan pienempiin osiin, jotta ilmiöiden ymmärrys tulee mahdolliseksi. Jokainen hierarkiataso sisältää mallinnuksen kulmakivet, joihin tasolla tehtävän mallinnuksen selitykset perustuvat. Esimerkiksi edellä käsitellyn pinnallisen mallin kulmakivet olivat Kirchhoffin virtalaki ja Shockleyn diodiyhtälö. 2 1

2 REDUKTIONISTISEN TAVAN LÄHTÖKOHDAT (2/2) Aurinkokennon tarkastelun reduktionistinen tapa etenee seuraavasti: Maalaisjärjen taso tarkoittaa tässä tapauksessa aurinkokennoa, jollaisen kuka tahansa voi ostaa kaupasta. Reduktionistisen lähestymistavan ensimmäinen vaihe on aurinkokennolta vaadittujen ominaisuuksien tunnistaminen: 1) Valosähköisen ilmiön tulee toteutua. 2) Kennon rakenteen tulee olla sellainen, että valon vapauttamat varauksenkuljettajat saadaan hyödynnettyä kennon ulkopuolella sähkötehona. Seuraavaksi mennään mallinnuksen hierarkiassa niin monta tasoa alaspäin, että voidaan saada käsitys kohtiin 1) ja 2) liittyvistä yksityiskohdista. Edellä käsitellyllä pinnallisella lähestymistavalla kohtia 1) ja 2) ei pystytä pilkkomaan osiin, joten piirimalli edustaa selkeästi varsin korkeaa tasoa mallinnuksen hierarkiassa. Aletaan seuraavassa pohjustaa kohtaa 1) miettimällä sitä, miksi nimenomaan puolijohteet ovat nykytietämyksen mukaan parhaita aurinkokennomateriaaleja. 3 PINNALLINEN vs. REDUKTIONISTINEN TAPA Pinnallinen (piirianalyysiin perustuva) tapa virta-jännite-käyttäytymisen ymmärtämiseen sijaitsee varsin korkealla mallinnuksen hierarkiassa. Tällöin mallinnuksen kulmakivien lukumäärä on pieni. Kun käytetään reduktionistista tapaa, mallinnuksen hierarkiassa otetaan askeleita alaspäin. Samalla kulmakivien määrä kasvaa, sillä hierarkian ylemmän tason kulmakiviä pilkotaan syvällisemmän ymmärryksen toivossa pienempiin osiin. 4 2

3 ELEKTRONIN ENERGIATILAMALLIT (1/3) Vapaassa tilassa olevan elektronin energia ei ole sidottu. Vapaassa tilassa olevan atomin elektroneilla on tietty määrä sallittuja energiatiloja. Elektronin on sijaittava atomin jollain elektronikuorella. Jos atomin yksittäisen elektronin energia kasvaa ulointa elektronikuorta vastaavaa energiaa suuremmaksi, elektroni irtoaa atomista, jolloin siitä tulee vapaassa tilassa oleva elektroni. Materiaalin kiderakenteessa atomit ovat niin lähekkäin, että ne vuorovaikuttavat keskenään. Elektronin sallitut energiatilat levittäytyvät kiderakenteessa sallituiksi energiavöiksi. Energiavyö siis koostuu lähekkäisistä ja osittain päällekkäisistä elektronin sallituista energiatiloista. 5 ELEKTRONIN ENERGIATILAMALLIT (2/3) Alhaisissa lämpötiloissa kiderakenteen elektronit miehittävät mahdollisimman alhaiset energiatilat. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että kaikki elektronit olisivat atomin alhaisimmalla sallitulla energiatasolla. Wolfgang Pauli havaitsi vuonna 1925, että atomin kaikilla elektroneilla täytyy olla erilainen kvanttimekaaninen tila. Paulin kieltosääntö: Jokaisella sallitulla energiatasolla voi olla korkeintaan kaksi elektronia. Näiden elektronien spinmomenttien on oltava vastakkaiset. Paulin kieltosäännöstä seuraa, että absoluuttisessa nollapisteessä kaikki kiderakenteen sallitut energiatilat ovat elektronien miehittämiä tiettyyn materiaalille ominaiseen energia-tasoon, Fermienergiaan, asti. 6 3

4 ELEKTRONIN ENERGIATILAMALLIT (3/3) Kun lämpötila kasvaa, joidenkin elektronien energia ylittää Fermi-energian. Fermi-Dirac-jakauma antaa todennäköisyyden sille, että aineen kiderakenteesta löytyy elektroni, jolla on energia W. 7 PUOLIJOHTEISTA (1/3) Tarkastellaan materiaaleja, joiden Fermi-energia osuu energiavöiden väliin. Fermi-energian alapuolista energiavyötä kutsutaan valenssivyöksi, ja Fermienergian yläpuolella oleva energiavyö on johtavuusvyö. Energiavyömallilla mallinnetaan elektronien energiaa materiaalin kiderakenteessa. Mieti, mitkä ovat valenssi- ja johtavuusvyön fysikaaliset tulkinnat. Mitä se tarkoittaa, että "täyden energiavyön elektroneilla ei ole tilaa liikkua"? Alhaisissa lämpötiloissa puolijohde ei johda sähköä, koska valenssivyö on täynnä, ja johtavuusvyö on tyhjä. Kun lämpötila kasvaa, osalla valenssivyön elektroneista saattaa olla niin paljon energiaa, että ne siirtyvät johtavuusvyölle. 8 4

5 PUOLIJOHTEISTA (2/3) Elektronit ovat varauksenkuljettajia sekä johtavuus- että valenssivyöllä. Kun tarkastellaan elektronien liikettä valenssivyöllä, näyttää siltä, kuin tyhjä elektronipaikka liikkuisi. Siksi valenssivyöllä tapahtuva elektronien liike on yksinkertaisinta kuvata positiivisesti varautuneen aukon liikkeenä. Tyhjällä elektronipaikalla ei tietenkään todellisuudessa ole varausta, mutta negatiivisen varauksen liike tiettyyn suuntaan voidaan mallintaa itseisarvoltaan yhtäsuuren positiivisen varauksen liikkeenä vastakkaiseen suuntaan. Miksi aurinkokennot valmistetaan puolijohteista? 9 PUOLIJOHTEISTA (3/3) Pii on aurinkokennojen yleisin raaka-aine. Piin energia-aukon (W g ) suuruus on 1.09 ev. Millä välillä fotonin energia vaihtelee auringosäteilyn energiaspektrissä? Valtaosa AM1.5-säteilystä pystyy synnyttämään piihin vapaita varauksenkuljettajia. 10 5

6 SUORAN JA EPÄSUORAN ENERGIA-AUKON PUOLIJOHTEET (1/2) Puolijohteet jaetaan kahteen luokkaan sen mukaan, miten elektronin liikemäärä p vaikuttaa energia-aukon suuruuteen W cmin W vmax. Elektronien liikemäärä vaihtelee jatkuvasti, sillä ne vuorovaikuttavat kiderakenteen mekaanista värähtelyliikettä mallintavan hiukkasen, fononin, kanssa. Fononilla on paljon liikemäärää mutta vähän energiaa. SMG-säteilyä mallintavalla fotonilla tilanne on päinvastainen. Suoran energia-aukon puolijohteilla elektronin liikemäärä ei juurikaan vaikuta energia-aukon suuruuteen. Kiinteän olomuodon fysiikan kirjoissa asia esitetään niin, että W vmax ja W cmin osuvat samalle elektronin liikemäärän arvolle. Valenssielektronien virittyminen johtavuusvyölle toteutuu pelkkien fotonien avulla. 11 SUORAN JA EPÄSUORAN ENERGIA-AUKON PUOLIJOHTEET (2/2) Epäsuoran energia-aukon puolijohteissa elektronin liikemäärä vaikuttaa merkittävästi energia-aukon suuruuteen. KOF:n kirjoissa asia esitetään niin, että epäsuoran energia-aukon puolijohteissa W vmax ja W cmin osuvat liikemäärän eri arvoille. Jotta valenssielektroni voi virittyä johtavuusvyölle minimienergialla, elektronin liikemäärän on oltava juuri sopiva. Valenssielektronien virittyminen johtavuusvyölle vaatii fotonivuorovaikutuksen lisäksi myös fononivuorovaikutuksen. Fononivuorovaikutuksen vaatimus vaikuttaa merkittävästi aineen kykyyn absorboida sähkömagneettista säteilyä Suoran energia-aukon materiaalista voidaan valmistaa huomattavasti ohuempi aurinkokenno (~1 mm) kuin epäsuoran energia-aukon materiaalista (~100 mm). 12 6

7 PUOLIJOHTEIDEN KÄYTTÖ AURINKOKENNOISSA Nyt on pystytty selvittämään, mitä valosähköisen ilmiön toteutuminen puolijohteessa tarkoittaa. Täten kalvon 3 kohta 1) on taklattu. Eristeet eivät toimi aurinkokennoina, sillä auringonsäteilyn fotonien energia ei riitä irrottamaan elektroneja atomien välisistä sidoksista. Myöskään johteet eivät toimi aurinkokennoina, sillä vaikka johteissa on paljon vapaita elektroneja, auringonsäteilyn fotonit eivät juurikaan pysty lisäämään niiden määrää. Seuraavaksi aletaan tarkastella kalvon 3 kohtaa 2). Millainen rakenne puolijohdekappaleella tulee olla, jotta auringonsäteilyn vapauttamat elektronit saadaan hyödynnettyä kennon ulkopuolella sähkötehona? 13 MIKSI AURINKOKENNOJA EI VALMISTETA PUHTAISTA PUOLIJOHTEISTA? Jos aurinkokennot valmistettaisiin puhtaasta puolijohteesta: Auringonsäteily kyllä synnyttäisi materiaaliin vapaita varauksenkuljettajia. Atomien välisistä sidoksista irronneet elektronit palaisivat takaisin sidoksiin, sillä varauksiin kohdistuva nettovoima puuttuu. Johtavuusvyölle nousseiden elektronien putoamista takaisin valenssivyölle kutsutaan rekombinaatioksi. Tällöin auringonsäteilyn synnyttämä varauksenkuljettajapari menetetään. Jos aurinkokenno valmistetaan puhtaasta puolijohteesta, auringonsäteilyn synnyttämiä varauksenkuljettajia ei saada hyödynnettyä sähkötehon tuottamiseen. Aurinkokennon rakenteen on oltava sellainen, että auringonsäteilyn vapauttamiin varauksiin kohdistuu rekombinaatiota ehkäisevä nettovoima. Varaukseen saadaan kohdistettua voima sähkökentällä. 14 7

8 PUHTAASTA PUOLIJOHTEESTA N- JA P-TYYPPISEKSI (1/2) Puhdas pii (Si) Puhtaan piin kiderakenne on sellainen, että uloimman elektronikuoren kaikki neljä elektronia osallistuvat atomien välisiin sidoksiin. n-tyyppi: fosforilla (P) seostettu pii P:n uloimman elektronikuoren neljä elektronia osallistuvat piin kiderakenteessa atomien välisiin sidoksiin. Kiderakenteeseen jää yksi ylimääräinen elektroni, joka on kiinni P-atomissa. p-tyyppi: boorilla (B) seostettu pii B:n uloimman elektronikuoren kaikki kolme elektronia osallistuvat piin kiderakenteessa atomien välisiin sidoksiin. Siihen sidokseen, johon B-atomi liittyy, jää yhden elektronin vaje, jota kutsutaan aukoksi. 15 PUHTAASTA PUOLIJOHTEESTA N- JA P-TYYPPISEKSI (2/2) Kun tarkastellaan valolle altistamatonta seostettua puolijohdetta absoluuttisessa nollapisteessä, materiaalin kiderakenteessa ei ole vapaita varauksenkuljettajia. Kun tarkastellaan valolle altistamatonta seostettua puolijohdetta huoneenlämpötilassa, n-tyypin puolijohteen kiderakenteessa on vapaasti liikkuvia elektroneja. Kiderakenteessa on siis elektroneja, joiden energia osuu johtavuusvyölle. p-tyypin puolijohteen kiderakenteessa on vapaita elektronitiloja (aukkoja), joihin viereiset valenssivyön elektronit voivat siirtyä. Kun ollaan huoneenlämpötilassa, n-tyypin puolijohteessa on elektroneja johtavuusvyöllä, ja p-tyypin puolijohteessa on aukkoja valenssivyöllä. Puolijohteen sähkönjohtavuutta saadaan kasvatettua seostamisen avulla, sillä seostaminen tekee varausten liikkumisen kiderakenteessa mahdolliseksi. Koska johtavuusvyön elektronit pääasiassa synnyttävät n-tyypin puolijohteen sähkövirran, niitä kutsutaan enemmistövarauksenkuljettajiksi. Vastaavasti valenssivyön aukot ovat n-tyypin puolijohteessa vähemmistövarauksenkuljettajia. P-tyypin puolijohteessa tilanne on päinvastainen. 16 8

9 PN-LIITOS (1/2) Kun p- ja n-tyypin puolijohteet viedään yhteen, syntyy pn-liitos. 17 PN-LIITOS (2/2) Tyhjennysalueeseen syntyy sähkökenttä, jonka suunta on n-puolelta p-puolelle. 18 9

10 TYHJENNYSALUEEN SYMMETRISYYS Tyhjennysalueesta tulee symmetrinen, jos p- ja n-puolen enemmistövarauksenkuljettajakonsentraatiot ovat yhtäsuuret. Seostussuhteiden epätasapainosta seuraa epäsymmetrinen tyhjennysalue. 19 PN-LIITOKSEN TOIMIMINEN AURINKOKENNONA (1/2) Auringonsäteily synnyttää sähkövirran pn-liitokseen! Tyhjennysalue on varauksenkuljettajia erottelevan sähkökenttänsä vuoksi se rakenne, jonka ansiosta fotonien vapauttamat varauksenkuljettajat saadaan hyödynnettyä ulkoisessa piirissä sähkötehona

11 PN-LIITOKSEN TOIMIMINEN AURINKOKENNONA (2/2) Muutama huomio kennon toiminnasta: Tyhjennysalueen sähkökenttä siirtää fotonien vapauttamat elektronit n-puolelle, josta ne siirtyvät ulkoista piiriä pitkin p-puolelle, jossa ne edelleen rekombinoituvat aukkojen kanssa. Virran suunnan kanssa on syytä olla täsmällinen ja tarkka: PN-liitoksen sisällä elektronit siirtyvät p-puolelta n-puolelle, mutta ulkoista piiriä pitkin elektronit siirtyvät n-puolelta p-puolelle. Virran suunta on aina elektronien suunnalle vastakkainen, sillä sähkövirta on historiallisista syistä määritelty positiivisten varausten liikkeenä