Most recent comments
Liveblogg nyttårsaften 2017
Tor, 11 months, 2 weeks
Jogging og blogging
Are, 1 year, 11 months
Liveblogg nyttårsaften 2016
Are, 1 year, 11 months
Reading in dark times
Are, 2 years
Moldejazz 2016
Camilla, 2 years, 4 months
Dørskilt
Karoline, 2 years, 5 months
Halifax
Tor, 2 years, 5 months
Sony Smartwatch 3 review
Tor, 2 years, 6 months
Numerikk, takk
Tor, 2 years, 6 months
Topp tur
Camilla, 2 years, 8 months
50 book challenge
Camilla, 11 months, 2 weeks
Ten years ago
Liveblog fra julemiddag
Tor
Controls
Register

Hvordan fungerer egentlig en solcelle, del I: Halvledere

For tiden leser jeg til eksamen i et fag om solcellefysikk, og i den forbindelse tenkte jeg å slå opptil flere fluer i ett smekk, ved å skrive et par artikler om hvordan solceller egentlig funker. Først: En introduksjon til halvledere.

Alle faste stoffer består av atomer, som betyr at alle stoffer inneholder massevis av elektroner. Det som skiller stoffer som leder strøm fra stoffer som ikke leder strøm, er at elektronene lett kan bevege seg i stoffer som leder strøm. For enkelhets skyld kan vi kalle de stoffene som leder strøm for metaller. Det er ikke helt nøyaktig, da det finnes stoffer som ikke er metaller og som leder strøm, men det er litt mer eksotisk.

Grunnen til at metaller leder strøm er altså at det er lett å få elektronene i et metall til å flytte på seg. Det skyldes at et et metall er ikke hvert elektron bundet til ett bestemt atom, men de er på en måte delt mellom alle atomene, og kan bevege seg fritt frem og tilbake. I et stoff som ikke leder strøm er det motsatt. Her er hvert elektron bundet til ett bestemt atom, og det skal mye til for å få dem til å flytte på seg. Det er imidlertid mulig å få elektronene til å flytte på seg, hvis man pøser på med nok energi, og hvor stor energi som kreves for å flytte på elektroner er det som avgjør hvor god en isolator er. For å innføre litt terminologi sier vi gjerne at et elektron som er fast bundet til ett bestemt atom befinner seg i valensbåndet, mens et elektron som har fått tilført ekstra energi og revet seg løs fra atomet sitt, slik at det kan bevege seg fritt, befinner seg i ledningsbåndet. Den energien som kreves for å løfte et elektron fra valensbåndet til ledningsbåndet, kalles båndgapet.

Stoffer med lite båndgap kalles gjerne halvledere, og i enkelte stoffer er båndgapet så lite at fotoner fra vanlig sollys har nok energi til å løfte et elektron til ledningsbåndet. Og dette er altså prinsippet bak en solcelle. Et foton fra solen treffer er elektron, elektronet absorberer fotonet og tar til seg energien, og kommer dermed høyt nok i energi til at det kan bevege seg rundt omkring.


Energien fra fotonet løfter et elektron til ledningsbåndet


Å lage en solcelle er imidlertid ikke fullt så enkelt. Når elektronet blir revet løs fra atomet sitt etterlater det seg et positivt ladet atom. Et slikt atom kalles gjerne et hull, av ulike historiske årsaker, og det som er interessant er at et hull faktisk også kan bevege seg, eller i alle fall tilsynelatende. Det som egentlig skjer er at et elektron fra et av naboatomene tar plassen til elektronet som forsvant, men det fører jo til at naboatomet blir positivt ladet, siden det nå mangler et elektron, så det ser dermed ut som om det positivt ladede hullet har beveget seg. Siden hullene også er interessante, er det vanligere å snakke om at det dannes et elektron-hull-par, enn at det eksiteres et elektron.

Når et elektron blir løftet opp i ledningsbåndet, har det en tendens til å falle ned igjen i energi, og det mest nærliggende da er å falle rett ned igjen til valensbåndet, tilbake til atomet det kom fra. Det er imidlertid veldig lite gunstig om man prøver å lage en solcelle, for hvis det skjer kan man ikke utnytte energien elektronet fikk tilført fra solen. Så hver gang det dannes et elektron-hull-par ønsker vi å flytte elektrone til den ene siden av solcellen, og hullet til den andre. Da ender vi opp med en solcelle som er positivt ladet på den ene siden, og negativt ladet på den andre, og da kan vi koble på ledninger og bruke denne spenningsforskjellen til noe, akkurat som vi gjør med et vanlig batteri.

Så hvordan sørger vi for å skille elektronene og hullene? For å oppnå det trenger vi noe som kalles en p-n-overgang, og for å forstå det trenger vi å vite hvordan man doper en halvleder. Og det blir temaet i morgen.

-Tor Nordam
Jørgen likes this

Comments

Camilla,  16.01.11 12:15

Hvorfor kan elektronene i metaller bevege seg og andre ikke? Jeg visste at det var slik, men jeg tror aldri jeg har lært hvorfor.

Og hvor overforenklet er denne modellen med to bånd? Tilsvarer de elektronskall?

Det har med elektronskall å gjøre. Litt forenklet tror jeg man kan si at i et fast stoff vil en del av elektronene alltid overlappe mellom to eller flere atomer. Det er det som utgjør de kjemiske bindingene som holder stoffer sammen. Det som skjer er da på en måte at elektronskallene til hvert atom kombineres til bånd, som er felles for hele materialet. Og på samme måte som at atomer kan ha mer eller mindre fulle elektronskall, kan bånd være mer eller mindre fulle. I et fullt bånd kan ikke elektronene bevege seg, så da må de i såfall opp i neste bånd, og energien for å komme dit er det som kalles båndgapet. I metaller er det overlapp mellom valensbåndet og ledningsbåndet, så det kreves ingen ekstra energi for at et atom skal kunne flytte på seg. I halvledere og isolatorer er det et lite eller stort båndgap. Så hvorfor det er slik har altså å gjøre med elektronstrukturen til atomene i en stoff.

Jørgen,  16.01.11 18:01

Denne artikkelen fenget min generelle interesse, Tor. Kjempebra! Mer slikt.

Christian,  18.01.11 13:05

Lenge siden jeg så på elektroner og protoner, men er det ikke noe med at de altid vil forsøke å opnå et "fult" ytterste skall, dvs hvis det ytterste skallet i stoffet kan ha max 8, vil det enten avgi eller opta elektroner for å fylle skallet, f.eks hvis det har 5, opta 3, hvis det har 3, avgi 3... har dette noe å gjøre med metal som strømledere?

Uansett, utrolig interessant artikkel, gleder meg til del 2 som jeg vil se på så snart jeg har skrevet ferdig her.
Tor,  07.02.11 09:10

Såh, da er jeg nettopp ferdig med muntlig eksamen i dette faget, og jeg fikk vite at jeg har bestått. Gode greier.
Category
Physics
Tags
fysikk
solceller
halvledere
solcellefysikk
Views
4555
Last edited by
Tor, 15.01.11 18:24