وبلاگ فیزیک رامان

How do solar cells work?

Solar cells convert the sun’s energy into electricity. Whether they’re adorning your calculator or orbiting our planet on satellites, they rely on the the photoelectric effect: the ability of matter to emit electrons when a light is shone on it.

Silicon is what is known as a semi-conductor, meaning that it shares some of the properties of metals and some of those of an electrical insulator, making it a key ingredient in solar cells. Let’s take a closer look at what happens when the sun shines onto a solar cell.

Sunlight is composed of miniscule particles called photons, which radiate from the sun. As these hit the silicon atoms of the solar cell, they transfer their energy to loose electrons, knocking them clean off the atoms. The photons could be compared to the white ball in a game of pool, which passes on its energy to the coloured balls it strikes.

Freeing up electrons is however only half the work of a solar cell: it then needs to herd these stray electrons into an electric current. This involves creating an electrical imbalance within the cell, which acts a bit like a slope down which the electrons will flow in the same direction.

Creating this imbalance is made possible by the internal organisation of silicon. Silicon atoms are arranged together in a tightly bound structure. By squeezing small quantities of other elements into this structure, two different types of silicon are created: n-type, which has spare electrons, and p-type, which is missing electrons, leaving ‘holes’ in their place.

When these two materials are placed side by side inside a solar cell, the n-type silicon’s spare electrons jump over to fill the gaps in the p-type silicon. This means that the n-type silicon becomes positively charged, and the p-type silicon is negatively charged, creating an electric field across the cell. Because silicon is a semi-conductor, it can act like an insulator, maintaining this imbalance.

As the photons smash the electrons off the silicon atoms, this field drives them along in an orderly manner, providing the electric current to power calculators, satellites and everything in between.

چگونه سلول های خورشیدی کار می کنند؟

سلول های خورشیدی  انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کنند. چه اینکه آنها در ماشین حساب شما مورد استفاده قرار بگیرند و چه اینکه روی ماهواره ها دور سیاره ما بچرخند، آنها به اثر فوتوالکتریک  وابسته هستند. اثر فوتوالکتریک یعنی توانایی یک ماده برای نشر الکترون وقتی نوری به آن تابیده می شود.سیلیکون چیزی است که به عنوان یک نیمه رسانا شناخته می شود به این معنی که سیلیکون تعدادی از خواص فلزات و تعدادی از خواص عایق الکتریکی را سهم می برد که باعث می شود بعنوان یک جزء کلیدی در سلول های خورشیدی باشد.

بیایید نگاهی دقیق تر به آنچه که اتفاق می افتد وقتی که نور خورشیدی بر یک سلول می تابد داشته باشیم. نور خورشید از اجزای خیلی کوچکی به اسم فوتون ها تشکیل شده است که از خورشید متشعشع می شود. همین که فوتون ها به اتم های سیلیکون سلول خورشیدی اصابت می کنند، فوتون ها انرژی خودشان را به الکترون های شل شده انتقال می دهند و ضمن ضربه زدن به آنها باعث زدودن آنها به سمت خارج اتمها و مرتب شدن آنها می شوند. فوتون ها می توانند با توپهای سفید در یک بازی بیلیارد مقایسه شوند که انرژی خود را به توپهای رنگی که به آنها برخورد می کنند می دهند. به هر حال رهایی الکترن ها فقط نیمه ای از کار یک سلول خورشیدی است سپس نیازمند این است که این الکترون های آواره! در یک جریان الکتریکی جمع شوند. این متضمن به وجود آمدن یک عدم توازن الکتریکی در داخل سلول می باشد که شبیه یک شیب رو به پایین عمل می کند که الکترن ها در مسیر مشابه ای جریان خواهند داشت. به وجود آمدن این عدم توازن احتمالا به وسیله ی سازمان دهی داخلی سیلیکون ساخته می شود. اتم های سیلیکون کنار یکدیگر در یک ساختار مقید محکم مرتب و چیده می شوند. با مقدار کمی فشار آوردن به سایر اجزاء در این ساختار دو نوع متفاوت سیلیکون ساخته می شود: نوع n ، که الکترون ها را ذخیره می کند و نوع p ، که الکترون از دست می دهند و حفره ها را در جای خودشان ترک می کنند. وقتی این دو ماده پهلو به پهلو  داخل یک سلول خورشیدی قرار می گیرند الکترون های زیادی  سیلیکون نوع n به طور مثبت باردار می شود و سیلیکون نوع p  به طور منفی باردار می شود و یک میدان الکتریکی در وسط سلول می سازند. چون سیلیکون یک نیمه رساناست، می تواند شبیه یک عایق عمل کند و این عدم توازن را حفظ کند و ادامه دهد. وقتی که فوتون ها به الکترون ها در آن سوی اتم های سیلیکون می خورند، این میدان آنها را به جلو در یک رویه منظم می راند  و یک جریان الکتریکی برای نیرو دادن به ماشین حساب ها، ماهواره ها و هرچیزی در این بین به وجود می آورد.

مترجم:اسماء علائی