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Il principio fotovoltaico a giunzione PN

1940
  • Russell Ohl
Giunzione P-N in una cella solare per dimostrare la fisica dei semiconduttori.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

A solar cell’s core is a p-n junction, an interface between p-type and n-type semiconduttore materials. This junction creates a built-in electric field in a depletion region. When photons with sufficient energy strike the semiconductor, they create electron-hole pairs. The electric field separates these charge carriers, driving electrons to the n-side and holes to the p-side, generating a voltage.

La giunzione pn è l'elemento fondamentale della maggior parte delle celle solari. Si forma unendo un semiconduttore di tipo p, che presenta un eccesso di lacune (portatori di carica positiva), con un semiconduttore di tipo n, che presenta un eccesso di elettroni (portatori di carica negativa). Questo si ottiene tipicamente drogando un singolo cristallo di semiconduttore, come il silicio, con diverse impurità su ciascun lato.

All'interfaccia, gli elettroni dal lato n diffondono verso il lato p, e le lacune dal lato p diffondono verso il lato n. Questo processo di diffusione non continua indefinitamente. Quando elettroni e lacune attraversano la giunzione, si ricombinano, lasciando atomi donatori ionizzati sul lato n e atomi accettori ionizzati sul lato p. Questo crea una regione impoverita di portatori di carica liberi, nota come regione di svuotamento o regione di carica spaziale. Gli atomi fissi e ionizzati in questa regione stabiliscono un forte campo elettrico statico diretto dal lato n al lato p.

Questo campo elettrico incorporato è fondamentale per il effetto fotovoltaicoQuando un fotone con energia superiore all'energia del band gap del semiconduttore (E_g) viene assorbito, eccita un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando una coppia elettrone-lacuna. Se questa coppia viene generata all'interno della regione di svuotamento o sufficientemente vicina da diffondersi in essa, il campo elettrico agisce su di essa. Il campo spinge l'elettrone verso il lato n e la lacuna verso il lato p. Questa separazione di carica impedisce la ricombinazione immediata e crea un accumulo di carica positiva sul lato p e di carica negativa sul lato n. Questa separazione di carica attraverso il dispositivo genera una fototensione, che può far passare una corrente attraverso un circuito esterno, convertendo così l'energia luminosa in energia elettrica.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Fisica

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • scoperta dell'effetto fotoelettrico da parte di Heinrich Hertz (1887)
  • La spiegazione dell'effetto fotoelettrico di Einstein (1905)
  • sviluppo della fisica dei semiconduttori e delle tecniche di drogaggio
  • scoperta della rettificazione in un contatto metallo-semiconduttore (1874)

Applicazioni

  • pannelli solari fotovoltaici
  • fotodiodi
  • diodi a emissione luminosa (LED)
  • transistor a semiconduttore

Brevetti:

  • US2402662A

Idee e potenziali innovazioni

  • giunzioni pn trasparenti per celle solari integrate nelle finestre
  • flexible p-n junctions woven into textiles for indossabile power
  • giunzioni pn biointegrate per alimentare impianti medici
  • giunzioni pn ottimizzate per specifiche sorgenti luminose a banda stretta come i laser
  • dispositivi acustico-fotovoltaici che utilizzano giunzioni pn per convertire le onde sonore in elettricità
  • giunzioni pn autoriparanti utilizzando semiconduttori a base di polimeri
  • p-n junctions designed for underwater energy harvesting from bioluminescenza
  • giunzioni pn resistenti alle radiazioni per missioni nello spazio profondo utilizzando semiconduttori di diamante
Argomenti correlati: giunzione pn, effetto fotovoltaico, semiconduttore, regione di svuotamento, coppia elettrone-lacuna, separazione di carica, campo intrinseco, cella solare.

Contesto storico

Il principio fotovoltaico a giunzione PN

1932
1933
1937
1940
1947
1950
1950
1931
1932
1936-01-01
1938
1940
1950
1950
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(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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