home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Unsorted BBS Collection / thegreatunsorted.tar / thegreatunsorted / texts / term_papers / solarsys.esy < prev    next >
Text File  |  1995-03-31  |  8KB  |  101 lines

  1.      Solar cells today are mostly made of silicon, one of the most common elements on Earth.
  2. The crystalline silicon solar cell was one of the first types to be developed and it is still the most
  3. common type in use today. They do not pollute the atmosphere and they leave behind no harmful
  4. waste products. Photovoltaic cells work effectively even in cloudy weather and unlike solar
  5. heaters, are more efficient at low temperatures. They do their job silently and there are no
  6. moving parts to wear out. It is no wonder that one marvels on how such a device would
  7. function.
  8.      To understand how a solar cell works, it is necessary to go back to some basic atomic
  9. concepts. In the simplest model of the atom, electrons orbit a central nucleus, composed of
  10. protons and neutrons. each electron carries one negative charge and each proton one positive
  11. charge. Neutrons carry no charge. Every atom has the same number of electrons as there are
  12. protons, so, on the whole, it is electrically neutral. The electrons have discrete kinetic energy
  13. levels, which increase with the orbital radius. When atoms bond together to form a solid, the
  14. electron energy levels merge into bands. In electrical conductors, these bands are continuous but
  15. in insulators and semiconductors there is an "energy gap", in which no electron orbits can exist,
  16. between the inner valence band and outer conduction band [Book 1]. Valence electrons help to
  17. bind together the atoms in a solid by orbiting 2 adjacent nucleii, while conduction electrons,
  18. being less closely bound to the nucleii, are free to move in response to an applied voltage or
  19. electric field. The fewer conduction electrons there are, the higher the electrical resistivity of
  20. the material.
  21.      In semiconductors, the materials from which solar sells are made, the energy gap Eg is
  22. fairly small. Because of this, electrons in the valence band can easily be made to jump to the
  23. conduction band by the injection of energy, either in the form of heat or light [Book 4]. This
  24. explains why the high resistivity of semiconductors decreases as the temperature is raised or the
  25. material illuminated. The excitation of valence electrons to the conduction band is best
  26. accomplished when the semiconductor is in the crystalline state, i.e. when the atoms are
  27. arranged in a precise geometrical formation or "lattice".
  28.      At room temperature and low illumination, pure or so-called "intrinsic" semiconductors
  29. have a high resistivity. But the resistivity can be greatly reduced by "doping", i.e. introducing
  30. a very small amount of impurity, of the order of one in a million atoms. There are 2 kinds of
  31. dopant. Those which have more valence electrons that the semiconductor itself are called
  32. "donors" and those which have fewer are termed "acceptors" [Book 2].
  33.      In a silicon crystal, each atom has 4 valence electrons, which are shared with a
  34. neighbouring atom to form a stable tetrahedral structure. Phosphorus, which has 5 valence
  35. electrons, is a donor and causes extra electrons to appear in the conduction band. Silicon so
  36. doped is called "n-type" [Book 5]. On the other hand, boron, with a valence of 3, is an
  37. acceptor, leaving so-called "holes" in the lattice, which act like positive charges and render the
  38. silicon "p-type"[Book 5]. The drawings in Figure 1.2 are 2-dimensional representations of n-
  39. and p-type silicon crystals, in which the atomic nucleii in the lattice are indicated by circles and
  40. the bonding valence electrons are shown as lines between the atoms. Holes, like electrons, will
  41. remove under the influence of an applied voltage but, as the mechanism of their movement is
  42. valence electron substitution from atom to atom, they are less mobile than the free conduction
  43. electrons [Book 2].
  44.      In a n-on-p crystalline silicon solar cell, a shadow junction is formed by diffusing
  45. phosphorus into a boron-based base. At the junction, conduction electrons from donor atoms in
  46. the n-region diffuse into the p-region and combine with holes in acceptor atoms, producing a
  47. layer of negatively-charged impurity atoms. The opposite action also takes place, holes from
  48. acceptor atoms in the p-region crossing into the n-region, combining with electrons and
  49. producing positively-charged impurity atoms [Book 4]. The net result of these movements is the
  50. disappearance of conduction electrons and holes from the vicinity of the junction and the
  51. establishment there of a reverse electric field, which is positive on the n-side and negative on
  52. the p-side. This reverse field plays a vital part in the functioning of the device. The area in
  53. which it is set up is called the "depletion area" or "barrier layer"[Book 4].
  54.      When light falls on the front surface, photons with energy in excess of the energy gap
  55. (1.1 eV in crystalline silicon) interact with valence electrons and lift them to the conduction
  56. band. This movement leaves behind holes, so each photon is said to generate an "electron-hole
  57. pair" [Book 2]. In the crystalline silicon, electron-hole generation takes place throughout the
  58. thickness of the cell, in concentrations depending on the irradiance and the spectral composition
  59. of the light. Photon energy is inversely proportional to wavelength. The highly energetic photons
  60. in the ultra-violet and blue part of the spectrum are absorbed very near the surface, while the
  61. less energetic longer wave photons in the red and infrared are absorbed deeper in the crystal and
  62. further from the junction [Book 4]. Most are absorbed within a thickness of 100 µm.
  63.      The electrons and holes diffuse through the crystal in an effort to produce an even
  64. distribution. Some recombine after a lifetime of the order of one millisecond, neutralizing their
  65. charges and giving up energy in the form of heat. Others reach the junction before their lifetime
  66. has expired. There they are separated by the reverse field, the electrons being accelerated
  67. towards the negative contact and the holes towards the positive [Book 5]. If the cell is connected
  68. to a load, electrons will be pushed from the negative contact through the load to the positive
  69. contact, where they will recombine with holes. This constitutes an electric current. In crystalline
  70. silicon cells, the current generated by radiation of a particular spectral composition is directly
  71. proportional to the irradiance [Book 2]. Some types of solar cell, however, do not exhibit this
  72. linear relationship.
  73.      The silicon solar cell has many advantages such as high reliability, photovoltaic power
  74. plants can be put up easily and quickly, photovoltaic power plants are quite modular and can
  75. respond to sudden changes in solar input which occur when clouds pass by. However there are
  76. still some major problems with them. They still cost too much for mass use and are relatively
  77. inefficient with conversion efficiencies of 20% to 30%. With time, both of these problems will
  78. be solved through mass production and new technological advances in semiconductors.
  79.  
  80.  
  81.  
  82.  
  83.  
  84.  
  85.  
  86.  
  87.  
  88.  
  89. Bibliography
  90. 1) Green, Martin Solar Cells, Operating Principles, Technology and System Applications. New
  91. Jersey, Prentice-Hall, 1989. pg 104-106
  92. 2) Hovel, Howard Solar Cells, Semiconductors and Semimetals. New York, Academic Press,
  93. 1990. pg 334-339
  94. 3) Newham, Michael ,"Photovoltaics, The Sunrise Industry", Solar Energy, October 1, 1989,
  95. pp 253-256
  96. 4) Pulfrey, Donald Photovoltaic Power Generation. Oxford, Van Norstrand Co., 1988. pg 56-61
  97. 5) Treble, Fredrick Generating Electricity from the Sun. New York, Pergamon Press, 1991. pg
  98. 192-195
  99.  
  100. ------------------------------------------------------------------------------
  101.