پیوند P-N و میدان الکتریکی که فوتون را به الکترون آزاد تبدیل می‌کند

هر متر مربع از سطح زمین که رو به خورشید است، در هنگام ظهر تقریباً ۱۰۰۰ وات انرژی خام خورشیدی دریافت می‌کند—توانی که برای روشن نگه‌داشتن مداوم یک مایکروویو استاندارد کافی است. با این حال، جذب این انرژی و تبدیل آن به یک جریان الکتریکی قابل استفاده، نیازمند چیزی بیش از قرار دادن یک ماده در معرض نور است.

این فرآیند به یک محیط میکروسکوپی با مهندسی دقیق نیاز دارد که قادر باشد یک فوتون را به دام بیندازد، انرژی آن را به یک بار الکتریکی متحرک تبدیل کند و آن بار را پیش از ناپدید شدن، وادار به حرکت در یک جهت واحد نماید. این محیط همان پیوند P-N است؛ معماری بنیادینی که تقریباً در تمام سلول‌های خورشیدی تولید شده در جهان امروز به کار می‌رود.[1][6]

چالش اصلی انرژی خورشیدی تولید نیست، بلکه جداسازی است. هنگامی که فوتونی با انرژی کافی—به‌طور دقیق، هر مقداری بیشتر از ۱٫۱ الکترون‌ولت (eV) که برای سیلیکون استاندارد نیاز است—به یک سلول خورشیدی برخورد می‌کند، یک الکترون را از مدار اتمی خود خارج می‌سازد. این امر دو موجودیت مجزا ایجاد می‌کند: یک الکترون آزاد با بار منفی، و یک فضای خالی با بار مثبت که در شبکه اتمی به جا می‌ماند و در فیزیک حالت جامد به عنوان «حفره» شناخته می‌شود.[3][4]

اگر این جفت الکترون-حفره تازه‌تولیدشده به حال خود رها شوند، تنها برای چند میکروثانیه دوام خواهند آورد. از آنجا که بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند، الکترون به سرعت دوباره به درون حفره سقوط کرده و انرژی تازه‌به‌دست‌آمده خود را به شکل یک فوران میکروسکوپی گرما آزاد می‌کند. برای تولید الکتریسیته، سلول خورشیدی باید پیش از آنکه الکترون و حفره بتوانند دوباره ترکیب شوند، آن‌ها را به صورت فیزیکی از هم جدا کرده و الکترون را برای انجام کار به یک مدار خارجی براند.[1]

این جداسازی از طریق یک میدان الکتریکی دائمی و درونی به دست می‌آید که با آلایش (دوپینگ) یک ویفر سیلیکونی توسط ناخالصی‌های خاص ایجاد می‌شود. سیلیکون کریستالی خالص رسانای ضعیفی برای الکتریسیته است، زیرا تمام الکترون‌های ظرفیت آن به شدت در یک شبکه صلب پیوند خورده‌اند. برای تغییر این وضعیت، تولیدکنندگان مقادیر ناچیزی از عناصر دیگر را به ساختار سیلیکون وارد می‌کنند و دو لایه متمایز با خواص الکتریکی کاملاً متفاوت می‌سازند.[5]

لایه بالایی معمولاً با فسفر آلایش می‌شود؛ عنصری که یک الکترون ظرفیت بیشتر از سیلیکون دارد. این الکترون اضافی نمی‌تواند با شبکه سیلیکونی اطراف پیوند برقرار کند و به صورت سست متصل باقی می‌ماند و آزادانه حرکت می‌کند. از آنجا که این لایه دارای فراوانی حامل‌های بار منفی است، به عنوان سیلیکون نوع N طبقه‌بندی می‌شود.[2]

لایه پایینی با بور آلایش می‌شود؛ عنصری که یک الکترون ظرفیت کمتر از سیلیکون دارد. این امر یک نقص ساختاری ایجاد می‌کند—یک الکترون از دست رفته، یا یک حفره، که به عنوان حامل بار مثبت عمل می‌کند. از آنجا که این لایه دارای فراوانی حامل‌های بار مثبت است، به عنوان سیلیکون نوع P طبقه‌بندی می‌شود.[2]

فیزیک حیاتی در مرز دقیقی رخ می‌دهد که این دو لایه به هم می‌رسند: پیوند P-N. هنگامی که سیلیکون نوع N و نوع P به هم متصل می‌شوند، الکترون‌های آزاد از سمت N به طور طبیعی در طول مرز پخش می‌شوند تا حفره‌های سمت P را پر کنند. این مهاجرت یک عدم تعادل الکتریکی موضعی ایجاد می‌کند. سمت N، با از دست دادن الکترون‌های منفی، کمی مثبت می‌شود. سمت P، با به دست آوردن الکترون‌ها، کمی منفی می‌شود.[4]

این عدم تعادل بار، یک میدان الکتریکی دائمی و میکروسکوپی در سراسر مرز ایجاد می‌کند که جهت آن از سمت N به سمت P است. این منطقه به عنوان ناحیه تخلیه شناخته می‌شود، زیرا از حامل‌های بار متحرک تخلیه شده است. میدان الکتریکی درونی به عنوان یک دریچه یک‌طرفه، یا یک شیب میکروسکوپی عمل می‌کند که دیکته می‌کند بارهای تازه‌تولیدشده در هنگام قرار گرفتن در معرض نور چگونه باید رفتار کنند.[1]

هنگامی که نور خورشید به سلول خورشیدی برخورد می‌کند و یک فوتون به این ناحیه تخلیه نفوذ می‌کند، یک جفت الکترون-حفره تولید می‌کند. میدان الکتریکی درونی بلافاصله بر روی آن‌ها عمل می‌کند. الکترون منفی در طول شیب به سمت لایه نوع N رانده می‌شود، در حالی که حفره مثبت به سمت لایه نوع P کشیده می‌شود.[2][3]

به محض اینکه الکترون به لایه نوع N رانده شد، میدان الکتریکی از عبور مجدد آن از روی پیوند و ترکیب با حفره جلوگیری می‌کند. اکنون الکترون در سطح بالایی سلول به دام افتاده است. از آنجا که در هر ثانیه میلیون‌ها فوتون به سلول برخورد می‌کنند، میلیون‌ها الکترون به طور پیوسته به لایه نوع N پمپ می‌شوند و یک ولتاژ منفی ایجاد می‌کنند.[5]

برای بازگرداندن تعادل، الکترون‌ها باید راهی برای بازگشت به لایه نوع P پیدا کنند. از آنجا که میدان الکتریکی داخلی مسیر بازگشت مستقیم آن‌ها را مسدود می‌کند، آن‌ها مجبور می‌شوند یک مسیر خارجی را طی کنند. اتصال‌های فلزی چاپ‌شده در بالا و پایین سلول خورشیدی این مسیر را فراهم می‌کنند. الکترون‌ها از لایه نوع N خارج می‌شوند، از طریق یک سیم حرکت می‌کنند، یک بار الکتریکی—مانند یک اینورتر شبکه یا یک شارژر باتری—را تغذیه می‌کنند و در نهایت به لایه نوع P بازمی‌گردند تا با حفره‌های منتظر ترکیب شوند.[1][6]

این جریان پیوسته الکترون‌ها، که توسط جذب مداوم فوتون‌ها هدایت شده و توسط میدان الکتریکی دائمی پیوند P-N از هم جدا می‌شوند، همان الکتریسیته جریان مستقیم (DC) است که انرژی همه‌چیز از یک ماشین‌حساب جیبی گرفته تا یک مزرعه خورشیدی در مقیاس نیروگاهی را تامین می‌کند. بازدهی این فرآیند توسط مهندسی دقیق ناحیه تخلیه تعیین می‌شود، تا اطمینان حاصل شود که میدان به اندازه کافی قوی و گسترده است که بتواند حداکثر تعداد جفت‌های الکترون-حفره را پیش از هدر رفتن به صورت گرما، به دام بیندازد.[3][4]

درک این مکانیسم روشن می‌سازد که چرا سلول‌های خورشیدی دارای محدودیت‌های بازدهی نظری سختی هستند که به عنوان حد شاکلی-کوایسر شناخته می‌شود. فوتون‌هایی با انرژی کمتر از ۱٫۱ الکترون‌ولت (eV) بدون تولید جفت الکترون-حفره مستقیماً از سیلیکون عبور می‌کنند. فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از حد نیاز نیز همچنان تنها یک جفت تولید می‌کنند و انرژی اضافی به صورت گرما هدر می‌رود. پیوند P-N تنها می‌تواند بارهایی را جدا کند که با موفقیت در داخل یا بسیار نزدیک به میدان الکتریکی درونی آن تولید شده باشند.[5]

در حالی که سیستم انرژی جهانی به سمت تولید تجدیدپذیر در حال گذار است، فیزیک بنیادی پیوند P-N همچنان لنگرگاه این گذار باقی می‌ماند. اگرچه معماری‌های پیشرفته‌ای مانند سلول‌های تاندوم پروسکایت و سلول‌های ناهمگون (هتروجانکشن) به دنبال به حداقل رساندن تلفات ترکیب مجدد و جذب طیف وسیع‌تری از نور هستند، اما همه آن‌ها بر همان اصل هسته‌ای تکیه دارند: یک میدان الکتریکی درونی که یک برانگیختگی کوانتومی لحظه‌ای را به یک جریان پیوسته و قابل استفاده تبدیل می‌کند.[6]