"Фотонапонски ефекат" је основни физички процес кроз који ПВ ћелија претвара сунчеву светлост у електричну енергију. Сунчева светлост састоји се од фотона или честица соларне енергије. Ови фотони садрже различите количине енергије које одговарају различитим таласним дужинама соларног спектра.
Кад фотони ударију у ПВ ћелију, могу се рефлектирати или апсорбовати или могу проћи право кроз њих. Само апсорбовани фотони производе електричну енергију. Када се то догоди, енергија фотона се преноси у електрон у атому ћелије (што је у ствари а полуводич).
Са новом пронађеном енергијом, електрон је у стању да побегне из свог нормалног положаја повезаног са тим атомом, да постане део струје у електричном кругу. Напуштањем овог положаја, електрон изазива стварање „рупе“. Посебна електрична својства ПВ ћелије - уграђено електрично поље - дају напон потребан за покретање струје кроз спољно оптерећење (као што је сијалица).
Да би се индуковало електрично поље унутар ПВ ћелије, два одвојена полуводича се пескају заједно. Тип "п" и "н" полуводича одговарају "позитивном" и "негативном" због њиховог обиља рупа или електрона (додатни електрони чине „н“ тип, јер електрон заправо има негатив напунити).
Иако су оба материјала електрично неутрална, силицијум н-типа има вишак електрона, а силикон п-типа има вишак рупа. Сендвич ових слојева ствара п / н спој на њиховом интерфејсу, стварајући тако електрично поље.
Када су полупроводници п-типа и н-типа заједно насушени, вишак електрона у материјалу н-типа тече у п-тип, а рупе које су током овог процеса испражњене доводе до н-типа. (Концепт померања рупе помало је налик на гледање мехурића у течности. Иако се течност заправо креће, лакше је описати кретање мехурића док се креће у супротном смеру.) Кроз овај проток електрона и рупа, два полуводича делују као батерија, стварајући електрично поље на површини где се срећу (познато као "спој"). То поље узрокује да електрони искоче из полуводича према површини и учине их расположивим за електрични круг. У исто време, рупе се крећу у супротном смеру, према позитивној површини, где чекају долазне електроне.
У ПВ ћелији фотони се апсорбују у п слоју. Веома је важно да овај слој „прилагодите“ својствима долазних фотона да апсорбују што је више могуће и на тај начин ослободе што више електрона. Други изазов је спречити да се електрони не сусрећу са рупама и „рекомбинују се“ са њима пре него што могу да побегну из ћелије.
Да бисмо то учинили, конструишемо материјал тако да се електрони ослободе што је могуће ближе спојници, тако да електрично поље може им помоћи да их пошаљу кроз "проводни" слој (н слој) и изађу у електрично струјно коло. Максимизирајући све ове карактеристике, побољшавамо ефикасност конверзије * ПВ ћелије.
Да бисмо направили ефикасну соларну ћелију, трудимо се да максимизирамо апсорпцију, минимизирамо рефлексију и рекомбинацију и на тај начин максимизирамо проводљивост.
Најчешћи начин израде силиконског материјала п-типа или н-типа је додавање елемента који има додатни електрон или му недостаје електрон. У силицијуму користимо поступак назван "допинг".
Користићемо силикон као пример, јер је кристални силицијум био полуводички материјал који се користио у најранијим успешним ПВ уређајима, то је још увек најчешће коришћени ПВ материјал и, мада други ПВ материјали и дизајни користе ПВ ефекат на мало другачије начине, знајући како ефекат делује у кристалном силицијуму даје нам основно разумевање како он функционише на свим уређајима
Као што је приказано на горњем поједностављеном дијаграму, силицијум има 14 електрона. Четири електрона који орбитирају око језгра у најудаљенијем или "валентном" нивоу енергије дају се, прихватају или деле са другим атомима.
Сва материја се састоји од атома. Атоми су заузврат сачињени од позитивно набијених протона, негативно набијених електрона и неутралних неутрона. Протони и неутрони, који су приближно једнаке величине, чине уско набијено централно „језгро“ атома, где је смештена скоро сва маса атома. Много лакши електрони орбитирају језгром при врло великим брзинама. Иако је атом изграђен од насупрот наелектрисаних честица, његов укупни набој је неутралан јер садржи једнак број позитивних протона и негативних електрона.
Електрони круже око језгра на различитим растојањима, у зависности од њиховог енергетског нивоа; електрон са мање енергије орбитује близу језгра, док једна већа енергија орбитира даље. Електрони који су најудаљенији од језгра узајамно делују са онима из суседних атома да би одредили начин формирања чврстих структура.
Атом силицијума има 14 електрона, али њихов природни орбитални распоред омогућава да се само четири спољна од њих дају, прихвате или деле са другим атомима. Ова спољна четири електрона, која се називају "валентни" електрони, играју важну улогу у фотонапонском ефекту.
Велики број атома силицијума, путем њихових валентних електрона, може се повезати и формирати кристал. У кристалној крутини, сваки атом силицијума обично дели један од своја четири валентна електрона у „ковалентној“ вези са сваким од четири суседна атома силицијума. Чврста супстанца се, дакле, састоји од основних јединица од пет атома силицијума: изворни атом плус четири остала атома са којима дели своје валенцијске електроне. У основној јединици кристалне силиконске чврстоће, атом силицијума дели сваки од своја четири валентна електрона са сваким од четири суседна атома.
Чврсти кристал силицијума се, тада, састоји од правилног низа јединица од пет атома силицијума. Овај правилан, фиксни распоред атома силицијума познат је као "кристална решетка".
Процес "допинга" уводи атом другог елемента у кристал силицијума да би променио његова електрична својства. Допант има три или пет валентних електрона, за разлику од четири силицијума.
Атоми фосфора, који имају пет валентних електрона, користе се за допинг силицијума н-типа (јер фосфор даје свој пети, слободан, електрон).
Атом фосфора заузима исто место у кристалној решетки који је претходно заузимао атом силицијума који је заменио. Четири његова валентна електрона преузимају везивне одговорности четири валентна електрона који су заменили. Али пети валентни електрон остаје слободан, без везивања одговорности. Када су бројни атоми фосфора замењени силицијумом у кристалу, многи слободни електрони постају доступни.
Замјена атома фосфора (са пет валентних електрона) за атом силицијума у кристалу силицијума оставља додатни, несвезани електрон који се релативно слободно креће око кристала.
Најчешћа метода допинга је да се врх слоја силицијума премаже фосфором, а затим загрева површина. То омогућава атомима фосфора да дифундирају у силицијум. Температура се затим спушта тако да брзина дифузије пада на нулу. Остали поступци уношења фосфора у силицијум укључују дифузију гасова, течни додатак поступак распршивања и техника у којој се јони фосфора тачно убацују у површину силицијум.
Наравно, силицијум н-типа не може сам формирати електрично поље; такође је потребно изменити неки силицијум да би имали супротна електрична својства. Дакле, бор, који има три валентна електрона, користи се за допинг силицијума п-типа. Бор се уноси током прераде силицијума, где се силицијум пречишћава за употребу у ПВ уређајима. Кад атом бора заузме положај у кристалној решетки који је претходно заузимао атом силицијума, постоји веза која недостаје електрон (другим речима, додатна рупа).
Као и силикон, сви ПВ материјали морају бити израђени у п-типа и н-типа конфигурације да би се створило потребно електрично поље које карактерише ПВ ћелију. Али то се ради на више различитих начина, у зависности од карактеристика материјала. На пример, аморфни силицијум јединствена структура чини неопходан унутарњи слој (или и слој). Овај недопрштени слој аморфног силицијума се уклапа између слојева н-типа и п-типа и формира оно што се назива "п-и-н" дизајном.
Поликристални танки слојеви попут бакар-индијум-диселенида (ЦуИнСе2) и кадмијум-телурид (ЦдТе) показују велико обећање за ПВ ћелије. Али ови материјали не могу се једноставно допирати да би се формирали н и п слојеви. Уместо тога, за стварање ових слојева користе се слојеви различитих материјала. На пример, „прозорски“ слој кадмијум сулфида или сличног материјала се користи да обезбеди додатне електроне потребне за н-тип. ЦуИнСе2 може сам да се направи п-типа, док ЦдТе има користи од п-типа слоја који је направљен од материјала попут тековина цинка (ЗнТе).
Галијум арсенид (ГаАс) је на сличан начин модификован, обично са индијумом, фосфором или алуминијумом, како би се произвео широк спектар материјала н-и п-типа.
* Ефикасност конверзије ПВ ћелије је удио енергије сунчеве светлости коју ћелија претвара у електричну енергију. Ово је веома важно када се разговара о ПВ уређајима, јер је побољшање ове ефикасности од виталног значаја за постизање конкурентности ПВ енергије са традиционалнијим изворима енергије (нпр. Фосилним горивима). Наравно, ако један ефикасан соларни панел може дати толико енергије као два мање ефикасна панела, тада ће се трошкови те енергије (да не спомињемо потребан простор) смањити. За поређење, најранији ПВ уређаји претварају око 1% -2% енергије сунчеве светлости у електричну. Данашњи ПВ уређаји претварају 7% -17% светлосне енергије у електричну. Наравно, друга страна једначине је новац који кошта израда ПВ уређаја. То се такође побољшавало током година. У ствари, данашњи ПВ системи производе електричну енергију само у делу трошкова раних ПВ система.