SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta Aurinko lähettää avaruuteen sähkömagneettista säteilyä. Säteilyn aallonpituusjakauma määräytyy käytännössä auringon pintalämpötilan (n. 6000 K) perusteella. Auringosta lähtevän säteilyn aallonpituusjakauma vaihtelee välillä 200-1200 nm (ultravioletti, näkyvä valo, infrapuna). Säteilytehotiheys ilmakehän ulkoreunalla (aurinkovakio) on n. 1367 W/m 2. Ilmakehä vaimentaa auringon säteilyä vähintään 30%. Ilmamassa kuvaa pilvettömän ilmakehän vaikutusta auringon säteilytehoon. Sähkömagneettisen säteilyn voidaan olettaa koostuvan massattomista hiukkasista, fotoneista. Fotonin energia E tietyllä aallonpituudella λ saadaan lausekkeesta: E = hc / λ. 1
SMG-4300 Aurinkosähkö ja Tuulivoima Aurinkosähkön 2. luento Tavoitteena on ymmärtää piipohjaisen aurinkokennon toimintaperiaate. Puolijohteet: Miksi puolijohdeliitos toimii aurinkokennona? Käydään ensin läpi tarvittava määrä puolijohteiden teoriaa. Valojänniteilmiö: Miksi ja miten auringonsäteily synnyttää puolijohteeseen vapaita varauksia? Miksi puhdas puolijohde ei toimi aurinkokennona, vaan tarvitaan pn-liitos? 2
Aurinkokenno muuttaa auringonsäteilyn energiaa suoraan sähköksi ilman mekaanista liikettä tai saastuttavia sivutuotteita. Kaikkien puolijohdetekniikkaan perustuvien aurinkokennojen taustalla on valosähköinen ilmiö, joka on pohjimmiltaan valon fotonien ja aineen elektronien välistä vuorovaikutusta. Erittäin yksinkertaisesti selitettynä osa aurinkokennoon osuvien fotonien energiasta siirtyy kennomateriaalin elektroneille, ja kennon rakenteen ansiosta tämä energia saadaan hyödynnettyä sähkövirtana ja jännitteenä. 3
ELEKTRONIN ENERGIATILAMALLIT (1/4) Vapaassa tilassa olevan elektronin energiaa ei sido mikään. Vapaassa tilassa olevan atomin elektroneilla on tietty määrä sallittuja energiatiloja. Elektronin on sijaittava atomin jollain elektronikuorella. Jos atomin yksittäisen elektronin energia kasvaa suuremmaksi kuin uloimmalla elektronikuorella, elektroni irtoaa atomista, jolloin siitä tulee vapaassa tilassa oleva elektroni. Materiaalin kiderakenteessa atomit ovat niin lähekkäin, että yksittäisen atomin sallitut energiatilat levittäytyvät kiderakenteen sallituiksi energiavöiksi. 4
ELEKTRONIN ENERGIATILAMALLIT (2/4) Alhaisissa lämpötiloissa kiderakenteen elektronit miehittävät mahdollisimman alhaiset energiatilat. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että kaikki elektronit olisivat atomin alhaisimmalla sallitulla energiatasolla. Paulin kieltosääntö: Jokaisella sallitulla energiatasolla voi olla korkeintaan kaksi elektronia. Näiden elektronien spinmomenttien on oltava vastakkaiset. Paulin kieltosäännöstä seuraa, että alhaisissa lämpötiloissa kaikki kiderakenteen sallitut energiatilat ovat elektronien miehittämiä tiettyyn energiatasoon, Fermi-tasoon, asti. 5
ELEKTRONIN ENERGIATILAMALLIT (3/4) Kun lämpötila kasvaa, joidenkin elektronien energia saattaa ylittää Fermi-tason. Fermi-Dirac-jakauma antaa todennäköisyyden sille, että kiderakenteesta löytyy elektroni, jolla on tietty energia E. Metallien elektronirakenne on sellainen, että Fermi-taso sijaitsee sallittujen energiatasojen muodostaman vyön sisällä. Eristeillä Fermi-taso sijaitsee energiavöiden välissä. Fermi-tason alapuolella sijaitseva vyö on täynnä, ja yläpuolella oleva vyö on tyhjä. Vöiden välillä on suuri energia-aukko. Tyhjä elektronivyö ei voi osallistua sähkövirran kuljettamiseen. 6
ELEKTRONIN ENERGIATILAMALLIT (4/4) Myöskään täysi elektronivyö ei voi osallistua sähkövirran kuljettamiseen, koska elektroneilla ei ole tilaa liikkua. Energiavyömallin avulla voidaan selittää eri materiaalien sähkönjohtokykyä. Sähköä johtavissa materiaaleissa, kuten useimmissa metalleissa, Fermi-taso sijaitsee energiavyön sisällä. Täten kyseinen energiavyö ei ole täynnä, ja elektronit pääsevät liikkumaan. Materiaali johtaa sähköä. Eristemateriaaleissa Fermi-taso sijaitsee energiavöiden välissä. Fermi-tason alapuoliset energiavyöt ovat täysiä ja yläpuolinen vyö on tyhjä. Täten elektronit eivät pääse liikkumaan. Materiaali ei johda sähköä. Puolijohde on kuin eriste, jossa energiavöiden välinen energiaaukko on pieni. 7
PUOLIJOHTEISTA (1/4) Alhaisissa lämpötiloissa puolijohde ei johda sähköä, koska Fermi-tason alapuolella oleva energiavyö (valenssivyö) on täynnä, ja Fermi-tason yläpuolella oleva energiavyö (johtavuusvyö) on tyhjä. Kun lämpötila kasvaa, osalla valenssivyön elektroneista saattaa olla niin paljon energiaa, että ne siirtyvät energia-aukon yli johtavuusvyölle. Atomien välisiin sidoksiin osallistuvien elektronien energia osuu valenssivyölle. Kun elektroneilla on niin paljon energiaa, että ne ovat irronneet atomien välisistä sidoksista ja ovat vapaita liikkumaan, niiden energia osuu johtavuusvyölle. Johtavuusvyölle siirtynyt elektroni voi osallistua sähkövirran kuljettamiseen. Myös valenssivyön elektronit voivat nyt liikkua, koska johtavuusvyölle siirtynyt elektroni jätti jälkeensä aukon. 8
PUOLIJOHTEISTA (2/4) Valenssivyöllä tapahtuva elektronien liike on yksinkertaisinta kuvata positiivisesti varautuneen aukon liikkeenä. Johtavuusvyöllä sähkövirtaa kuljettavat elektronit, joiden varaus on -e. Valenssivyöllä sähkövirtaa kuljettavat aukot, joiden varaus on +e. Miksi aurinkokennot valmistetaan puolijohteista? Valojänniteilmiö: auringonsäteilyn energia synnyttää puolijohteeseen vapaita varauksenkuljettajia. 9
PUOLIJOHTEISTA (3/4) Valtaosa aurinkokennoista valmistetaan piistä. Energia-aukko E g tarkoittaa sitä energiaa, jonka elektroni tarvitsee siirtyäkseen valenssivyöltä johtavuusvyölle. Piille E g on 1.09 ev. Kuten ykkösluennossa käytiin läpi, sähkömagneettisen säteilyn fotonin energia saadaan lausekkeesta E = hc λ, jossa λ on säteilyn aallonpituus. Jotta fotoni voi luoda puolijohteeseen vapaita varauksenkuljettajia, fotonin energian on oltava vähintään energia-aukon E g suuruinen. Täten saadaan: hc hc E λ g λ E. Jotta fotoni voi siirtää elektronin piin valenssivyöltä johtavuusvyölle: 15 8 4.1357 10 evs 3 10 m/s λ 1.14 µm = 1140 nm. 1.09 ev g 10
PUOLIJOHTEISTA (4/4) Valtaosa AM1.5-säteilystä pystyy synnyttämään piihin vapaita varauksenkuljettajia. 11
MIKSI AURINKOKENNOJA EI VALMISTETA PUHTAASTA PUOLIJOHTEESTA? Jos aurinkokennot valmistettaisiin puhtaasta puolijohteesta: Auringonsäteilyn fotonit kyllä synnyttäisivät puolijohteeseen vapaita varauksenkuljettajia. Varauksenkuljettajia erotteleva voima kuitenkin puuttuisi, minkä seurauksena lähes kaikki johtavuusvyölle nousseet elektronit putoaisivat pian takaisin valenssivyölle. Tätä elektroni-aukko-parin yhdistymistä kutsutaan rekombinaatioksi. Aurinkokennoissa rekombinaatio on ei-toivottavaa, koska se tarkoittaa syntyneen varauksenkuljettajaparin katoamista. Jos aurinkokenno valmistettaisiin puhtaasta puolijohteesta, auringonsäteilyn synnyttämiä varauksenkuljettajia ei saataisi hyödynnettyä sähkötehon tuottamiseen. 12
PUHTAASTA PUOLIJOHTEESTA N- JA P-TYYPPISEKSI Puhdas pii: Si:n uloimman elektronikuoren kaikki neljä elektronia osallistuvat atomien väliseen sidokseen. n-tyyppi: fosforilla (P) seostettu pii P:n uloimman elektronikuoren neljä elektronia osallistuvat sidokseen. Kiderakenteeseen jää yksi ylimääräinen elektroni, joka on kiinnittyneenä P- atomiin. p-tyyppi: boorilla (B) seostettu pii B:n uloimman kuoren kaikki kolme elektronia osallistuvat sidokseen. Siihen sidokseen, johon B-atomi liittyy, jää yhden elektronin vaje, jota kutsutaan aukoksi. 13
N- JA P-TYYPIN PUOLIJOHTEET Atomien välisiin sidoksiin osallistuvien elektronien energia osuu valenssivyölle. Fosforiatomissa kiinni olevan ylimääräisen elektronin energia osuu piin valenssi- ja johtavuusvyön väliin. Tämä elektroni tarvitsee kuitenkin niin vähän energiaa fosforiatomista irtoamiseen, että jo pelkkä huoneenlämpötilan lämpöenergia riittää siirtämään sen johtavuusvyölle, eli vapaasti liikkuvaksi elektroniksi. N-tyypin puolijohteessa on vapaita elektroneja. P-tyypin puolijohteessa on aukkoja, jotka toimivat varauksenkuljettajina vapaiden elektronien tavoin. Todellisuudessa p-tyypin puolijohteen valenssivyöllä liikkuvat elektronit, mutta niiden liike on yksinkertaisinta kuvata aukon, eli positiivisen varauksen, liikkeenä. Kun p- ja n-tyypin puolijohteet viedään yhteen, muodostuu pn-liitos. 14
PN-LIITOS Huomaa: Vaikka n-tyypin (p-tyypin) puolijohteessa on vapaita elektroneja (aukkoja), puolijohteen kokonaisvaraus on nolla, koska puhtaaseen puolijohteeseen tuotiin atomeja, ei ioneja. PN-liitoksen rajapinnalle syntyy ns. tyhjennysalue, kun rajapintaa lähellä olevat elektronit ja aukot rekombinoituvat. P-puolen tyhjennysalue on negatiivisesti varautunut, eli p-puolen tyhjennysalue estää n-puolen elektronien siirtymisen p-puolelle. N-puolen tyhjennysalue on positiivisesti varautunut, eli n-puolen tyhjennysalue estää p-puolen aukkojen siirtymisen n-puolelle. Tyhjennysalueeseen syntyy sähkökenttä, joka aiheuttaa ns. energiavallin. 15
PN-LIITOS 16
PN-LIITOS EROTTELEE FOTONIEN SYNNYTTÄMÄT VARAUKSET Kun valo osuu p-tyypin puolijohteeseen, fotonin synnyttämä johtavuuselektroni siirtyy pn-liitoksen sähkökentän ansiosta n-puolelle. Kun valo osuu n-tyypin puolijohteeseen, fotonin energia siirtää elektronin valenssivyöltä johtavuusvyölle. Tällöin valenssivyölle syntyy aukko, joka siirtyy pn-liitoksen sähkökentän ansiosta p-puolelle. Kun aukot vilistävät pn-liitoksen yli n-puolelta p-puolelle, se tarkoittaa samalla sitä, että elektronit vilistävät ulkoisen kuorman kautta n-puolelta p-puolelle. Oheiseen kuvaan merkitty sähkövirta on juuri tämän suuntainen, koska sähkövirta on määritelty positiivisten varausten liikkeeksi. Valo synnyttää sähkövirran pn-liitokseen! 17
SUORAN JA EPÄSUORAN ENERGIA-AUKON PUOLIJOHTEET (1/2) Puolijohteet voidaan jakaa kahteen luokkaan sen mukaan, osuvatko valenssivyön energiahuippu E vmax ja johtavuusvyön energiaminimi E cmin samalle elektronin liikemäärän p arvolle. Elektronille, jolla on nopeus c, massa m ja energia E, voidaan kirjoittaa: 2 p = mc, E = mc p = E c. Suoran energia-aukon puolijohteissa E vmax ja E cmin ovat kohdakkain. Tällöin elektroni-aukko-parin syntyminen on mahdollisimman helppoa, sillä valenssivyön elektronin virittymiseen johtavuusvyölle tarvittava minimienergia on saatavissa pelkältä fotonilta. Virittymiseen ei tarvitse liittyä elektronin liikemäärän muutosta. Galliumarsenidilla ja kadmiumtelluridilla on suora energia-aukko. Epäsuoran energia-aukon puolijohteissa E vmax ja E cmin osuvat p:n eri arvoille. Nyt valenssivyön elektronin virittyminen johtavuusvyölle pelkän fotonin avulla vaatii fotonilta paljon suuremman energian kuin E cmin E vmax. 18
SUORAN JA EPÄSUORAN ENERGIA-AUKON PUOLIJOHTEET (2/2) Jotta valenssivyön elektroni voisi virittyä johtavuusvyölle mahdollisimman pienellä energialla epäsuoran energia-aukon puolijohteissa, tapahtumaan on liityttävä kiderakenteen värähtelyliikemäärän välittäjähiukkanen, fononi. Kun elektroni absorboi (2) tai emittoi (1) fononin, elektroni saa tai luovuttaa värähtelyyn liittyvää energiaa. Samalla elektronin liikemäärä muuttuu. Piillä on epäsuora energia-aukko. Käytännössä tämä ilmiö näkyy aurinkokennon toiminnassa siten, että suoran energia-aukon puolijohteet tarvitsevat fotonien absorboimiseen lyhyemmän matkan kuin epäsuoran energia-aukon puolijohteet. 19