Product Design, Manufacturing & Innovation Resources
Lar » O princípio fotovoltaico da junção PN

O princípio fotovoltaico da junção PN

1940
  • Russell Ohl
Junção P-N em uma célula solar demonstrando a física de semicondutores.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

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

A junção pn é o componente fundamental da maioria das células solares. Ela é formada pela união de um semicondutor tipo p, que possui um excesso de lacunas (portadores de carga positiva), com um semicondutor tipo n, que possui um excesso de elétrons (portadores de carga negativa). Isso geralmente é obtido dopando um único cristal semicondutor, como o silício, com diferentes impurezas em cada lado.

Na interface, elétrons do lado n difundem-se para o lado p, e lacunas do lado p difundem-se para o lado n. Esse processo de difusão não continua indefinidamente. À medida que elétrons e lacunas atravessam a junção, eles se recombinam, deixando para trás átomos doadores ionizados no lado n e átomos aceptores ionizados no lado p. Isso cria uma região com depleção de portadores de carga livres, conhecida como região de depleção ou região de carga espacial. Os átomos fixos e ionizados nessa região estabelecem um forte campo elétrico estático apontando do lado n para o lado p.

Esse campo elétrico interno é crucial para o efeito fotovoltaicoQuando um fóton com energia superior à energia da banda proibida do semicondutor (Eg) é absorvido, ele excita um elétron da banda de valência para a banda de condução, criando um par elétron-lacuna. Se esse par for gerado dentro da região de depleção ou próximo o suficiente para difundir-se até ela, o campo elétrico atuará sobre eles. O campo desloca o elétron em direção ao lado n e a lacuna em direção ao lado p. Essa separação de cargas impede a recombinação imediata e cria um acúmulo de carga positiva no lado p e carga negativa no lado n. Essa separação de cargas ao longo do dispositivo resulta em uma fotovoltagem, que pode gerar uma corrente através de um circuito externo, convertendo assim energia luminosa em energia elétrica.

UNESCO Nomenclature: 2210
Física

Tipo

Dispositivo físico

Interrupção

Revolucionário

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Descoberta do efeito fotoelétrico por Heinrich Hertz (1887)
  • Explicação de Einstein sobre o efeito fotoelétrico (1905)
  • desenvolvimento da física de semicondutores e técnicas de dopagem
  • Descoberta da retificação em um contato metal-semicondutor (1874)

Aplicações

  • painéis solares fotovoltaicos
  • fotodiodos
  • diodos emissores de luz (LEDs)
  • transistores semicondutores

Patentes:

  • US2402662A

Ideias de Inovação Potencial

  • transparent p-n junctions for window-integrated solar cells
  • flexible p-n junctions woven into textiles for vestível power
  • bio-integrated p-n junctions for powering medical implants
  • p-n junctions optimized for specific narrow-band light sources like lasers
  • acoustic-photovoltaic devices using p-n junctions to convert sound waves into electricity
  • self-healing p-n junctions using polymer-based semiconductors
  • p-n junctions designed for underwater energy harvesting from bioluminescência
  • radiation-hardened p-n junctions for deep space missions using diamond semiconductors
Relacionado a: junção pn, efeito fotovoltaico, semicondutor, região de depleção, par elétron-buraco, separação de cargas, campo interno, célula solar.

Contexto histórico

O princípio fotovoltaico da junção PN

1932
1933
1937
1940
1947
1950
1950
1931
1932
1936-01-01
1938
1940
1950
1950
1950

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

Imagens em tamanho real e downloads estão disponíveis apenas, 100% gratuitos, para membros registrados.