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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.

(generate image for illustration only)

A solar cell’s core is a p-n junction, an interface between p-type and n-type semiconductor 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.

At the interface, electrons from the n-side diffuse into the p-side, and holes from the p-side diffuse into the n-side. This diffusion process doesn’t continue indefinitely. As electrons and holes cross the junction, they recombine, leaving behind ionized donor atoms on the n-side and ionized acceptor atoms on the p-side. This creates a region depleted of free charge carriers, known as the depletion region or space charge region. The fixed, ionized atoms in this region establish a strong, static electric field pointing from the n-side to the p-side.

This built-in electric field is crucial for the photovoltaic effect. When a photon with energy greater than the semiconductor’s bandgap energy ([latex]E_g[/latex]) is absorbed, it excites an electron from the valence band to the conduction band, creating an electron-hole pair. If this pair is generated within the depletion region or close enough to diffuse into it, the electric field acts on them. The field sweeps the electron towards the n-side and the hole towards the p-side. This separation of charge prevents immediate recombination and creates an accumulation of positive charge on the p-side and negative charge on the n-side. This charge separation across the device results in a photovoltage, which can drive a current through an external circuit, thus converting light energy into electrical energy.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Fisica

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • scoperta dell'effetto fotoelettrico da parte di Heinrich Hertz (1887)
  • einstein’s explanation of the photoelectric effect (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

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