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Text File  |  1998-07-25  |  8KB  |  101 lines

  1. This file is copyright of Jens Schriver (c) 
  2. It originates from the Evil House of Cheat 
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  7. -------------------------------------------------------------- 
  8. Essay Name       : 1161.txt 
  9. Uploader         : John Brown
  10. Email Address    : 
  11. Language         : English
  12. Subject          : Chemistry
  13. Title            : Our Solar System
  14. Grade            : 98%
  15. School System    : Los Angeles
  16. Country          : U.S.A
  17. Author Comments  : 12th grade essay on chemical bonds in our solar system.
  18. Teacher Comments : Well Researched!
  19. Date             : 11-17-96
  20. Site found at    : Browsing the web.
  21. --------------------------------------------------------------
  22.      Solar cells today are mostly made of silicon, one of the most common elements on Earth.
  23. The crystalline silicon solar cell was one of the first types to be developed and it is still the most
  24. common type in use today. They do not pollute the atmosphere and they leave behind no harmful
  25. waste products. Photovoltaic cells work effectively even in cloudy weather and unlike solar
  26. heaters, are more efficient at low temperatures. They do their job silently and there are no
  27. moving parts to wear out. It is no wonder that one marvels on how such a device would
  28. function.
  29.      To understand how a solar cell works, it is necessary to go back to some basic atomic
  30. concepts. In the simplest model of the atom, electrons orbit a central nucleus, composed of
  31. protons and neutrons. each electron carries one negative charge and each proton one positive
  32. charge. Neutrons carry no charge. Every atom has the same number of electrons as there are
  33. protons, so, on the whole, it is electrically neutral. The electrons have discrete kinetic energy
  34. levels, which increase with the orbital radius. When atoms bond together to form a solid, the
  35. electron energy levels merge into bands. In electrical conductors, these bands are continuous but
  36. in insulators and semiconductors there is an "energy gap", in which no electron orbits can exist,
  37. between the inner valence band and outer conduction band [Book 1]. Valence electrons help to
  38. bind together the atoms in a solid by orbiting 2 adjacent nucleii, while conduction electrons,
  39. being less closely bound to the nucleii, are free to move in response to an applied voltage or
  40. electric field. The fewer conduction electrons there are, the higher the electrical resistivity of
  41. the material.
  42.      In semiconductors, the materials from which solar sells are made, the energy gap Eg is
  43. fairly small. Because of this, electrons in the valence band can easily be made to jump to the
  44. conduction band by the injection of energy, either in the form of heat or light [Book 4]. This
  45. explains why the high resistivity of semiconductors decreases as the temperature is raised or the
  46. material illuminated. The excitation of valence electrons to the conduction band is best
  47. accomplished when the semiconductor is in the crystalline state, i.e. when the atoms are
  48. arranged in a precise geometrical formation or "lattice".
  49.      At room temperature and low illumination, pure or so-called "intrinsic" semiconductors
  50. have a high resistivity. But the resistivity can be greatly reduced by "doping", i.e. introducing
  51. a very small amount of impurity, of the order of one in a million atoms. There are 2 kinds of
  52. dopant. Those which have more valence electrons that the semiconductor itself are called
  53. "donors" and those which have fewer are termed "acceptors" [Book 2].
  54.      In a silicon crystal, each atom has 4 valence electrons, which are shared with a
  55. neighbouring atom to form a stable tetrahedral structure. Phosphorus, which has 5 valence
  56. electrons, is a donor and causes extra electrons to appear in the conduction band. Silicon so
  57. doped is called "n-type" [Book 5]. On the other hand, boron, with a valence of 3, is an
  58. acceptor, leaving so-called "holes" in the lattice, which act like positive charges and render the
  59. silicon "p-type"[Book 5]. The drawings in Figure 1.2 are 2-dimensional representations of n-
  60. and p-type silicon crystals, in which the atomic nucleii in the lattice are indicated by circles and
  61. the bonding valence electrons are shown as lines between the atoms. Holes, like electrons, will
  62. remove under the influence of an applied voltage but, as the mechanism of their movement is
  63. valence electron substitution from atom to atom, they are less mobile than the free conduction
  64. electrons [Book 2].
  65.      In a n-on-p crystalline silicon solar cell, a shadow junction is formed by diffusing
  66. phosphorus into a boron-based base. At the junction, conduction electrons from donor atoms in
  67. the n-region diffuse into the p-region and combine with holes in acceptor atoms, producing a
  68. layer of negatively-charged impurity atoms. The opposite action also takes place, holes from
  69. acceptor atoms in the p-region crossing into the n-region, combining with electrons and
  70. producing positively-charged impurity atoms [Book 4]. The net result of these movements is the
  71. disappearance of conduction electrons and holes from the vicinity of the junction and the
  72. establishment there of a reverse electric field, which is positive on the n-side and negative on
  73. the p-side. This reverse field plays a vital part in the functioning of the device. The area in
  74. which it is set up is called the "depletion area" or "barrier layer"[Book 4].
  75.      When light falls on the front surface, photons with energy in excess of the energy gap
  76. (1.1 eV in crystalline silicon) interact with valence electrons and lift them to the conduction
  77. band. This movement leaves behind holes, so each photon is said to generate an "electron-hole
  78. pair" [Book 2]. In the crystalline silicon, electron-hole generation takes place throughout the
  79. thickness of the cell, in concentrations depending on the irradiance and the spectral composition
  80. of the light. Photon energy is inversely proportional to wavelength. The highly energetic photons
  81. in the ultra-violet and blue part of the spectrum are absorbed very near the surface, while the
  82. less energetic longer wave photons in the red and infrared are absorbed deeper in the crystal and
  83. further from the junction [Book 4]. Most are absorbed within a thickness of 100 µm.
  84.      The electrons and holes diffuse through the crystal in an effort to produce an even
  85. distribution. Some recombine after a lifetime of the order of one millisecond, neutralizing their
  86. charges and giving up energy in the form of heat. Others reach the junction before their lifetime
  87. has expired. There they are separated by the reverse field, the electrons being accelerated
  88. towards the negative contact and the holes towards the positive [Book 5]. If the cell is connected
  89. to a load, electrons will be pushed from the negative contact through the load to the positive
  90. contact, where they will recombine with holes. This constitutes an electric current. In crystalline
  91. silicon cells, the current generated by radiation of a particular spectral composition is directly
  92. proportional to the irradiance [Book 2]. Some types of solar cell, however, do not exhibit this
  93. linear relationship.
  94.      The silicon solar cell has many advantages such as high reliability, photovoltaic power
  95. plants can be put up easily and quickly, photovoltaic power plants are quite modular and can
  96. respond to sudden changes in solar input which occur when clouds pass by. However there are
  97. still some major problems with them. They still cost too much for mass use and are relatively
  98. inefficient with conversion efficiencies of 20% to 30%. With time, both of these problems will
  99. be solved through mass production and new technological advances in semiconductors. 
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