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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)

O núcleo de uma célula solar é uma junção pn, uma interface entre materiais semicondutores do tipo p e do tipo n. Essa junção cria um campo elétrico interno em uma região de depleção. Quando fótons com energia suficiente atingem o semicondutor, eles criam pares elétron-lacuna. O campo elétrico separa esses portadores de carga, impulsionando os elétrons para o lado n e as lacunas para o lado p, gerando uma voltagem.

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.

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
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

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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)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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