Γενικά για την Ηλεκτρική ενέργεια και τα φωτοβολταϊκά

Το 1879 με την ανακάλυψη του λαμπτήρα πυρακτώσεως άρχισε η δημόσια ζήτηση και διάθεση της ηλεκτρικής ενέργειας και πολύ σύντομα αυτή η καινούρια μορφή ενέργειας άρχισε να χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές.

Η απλότητα και η ευκολία των εγκαταστάσεων και των συσκευών την καθιέρωσαν στις οικιακές, εμπορικές και επιστημονικές εφαρμογές.

Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται συνήθως σε θερμικούς σταθμούς. Εκεί το ορυκτό καύσιμο (πετρέλαιο, άνθρακας ή φυσικό αέριο) παράγει θερμότητα η οποία κινεί γεννήτριες που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Η μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων καθώς και τα έντονα περιβαλλοντικά προβλήματα που προκαλούν (όπως το φαινόμενο θερμοκηπίου) έχουν σαν συνέπεια την έρευνα για την εκμετάλλευση των λεγόμενων ανανεώσιμων μορφών ενέργειας (αιολική, ηλιακή κ.α.). Ειδικά η ηλιακή ενέργεια αποτελεί εξαιρετική πηγή «καθαρής» ενέργειας και η αποδοτική εκμετάλλευσή της και για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος αποτελεί ζητούμενο της σύγχρονης επιστημονικής δραστηριότητας.

Η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική με τα φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Η βασική αρχή λειτουργίας του είναι η εξής: Όταν μία υψηλή ποσότητα φωτεινής ενέργειας προσπέσει πάνω σε έναν ημιαγωγό με προσμίξεις τύπου n-p ή p-n, αναγκάζει έναν αριθμό ηλεκτρονίων της ζώνης σθένους των ατόμων του ημιαγωγού να μετακινηθούν στη ζώνη αγωγιμότητας. Οι κενές θέσεις που αφήνουν τα μετακινούμενα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν θετικά φορτία (οπές). Ο αριθμός των παραγόμενων ζευγών ηλεκτρονίων-οπών εξαρτάται από την ένταση και φασματική σύσταση του προσπίπτοντος φωτός. Υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου αντίστροφης πολικότητας που δημιουργείται στην επιφάνεια επαφής των τμημάτων n και p του ημιαγωγού, τα ηλεκτρόνια και οι οπές κινούνται αντίστοιχα προς το τμήμα n και προς το τμήμα p του ημιαγωγού. Αν οι δύο πλευρές του ημιαγωγού συνδεθούν με ένα εξωτερικό ηλεκτρικά αγώγιμο στοιχείο, τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω αυτού από τον αρνητικό προς τον θετικό πόλο, όπου επανασυνδέονται με τις οπές, δημιουργείται δηλαδή ηλεκτρικό ρεύμα. Η πρώτη ύλη για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι το πυρίτιο, υλικό που βρίσκεται σε αφθονία και χρησιμοποιείται σε πάρα πολλές εφαρμογές στον τομέα της ηλεκτρονικής, με αποτέλεσμα την ύπαρξη πλούσιας τεχνογνωσίας γύρω από την επεξεργασία του.

Το ηλεκτρικό πεδίο μιας ηλιακής κυψέλης

Άρα λοιπόν, η λειτουργία των ηλιακών κυψελών βασίζεται στην δημιουργία ηλεκτροστατικού φράγματος δυναμικού. Όσο διαρκεί η ακτινοβόληση της

κυψέλης, δημιουργείται μια περίσσεια από ζεύγη φορέων. Αν οι ελεύθεροι αυτοί φορείς δεν επανασυνδιαστούν αλλά βρεθούν στην περιοχή της ένωσης P-N, θα δεχτούν το ενσωματωμένο ηλεκτροστατικό πεδίο της διόδου και θα διαχωριστούν. Έτσι ενσωματωμένο ηλεκτροστατικό πεδίο της διόδου και θα διαχωριστούν. Έτσι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου N και οι οπές μεταφέρονται προς το τμήμα τύπου P, με αποτέλεσμα η συσσώρευση αυτή του φορτίου στα δυο τμήματα να δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες της διόδου. Η διάταξη, δηλαδή, λειτουργεί ως ορθά πολωμένη δίοδος και ως πηγή ηλεκτρικού ρεύματος για όσο διαρκεί η οπτική διέγερση. Η εκδήλωση της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στις δυο όψεις της ηλιακής

κυψέλης σύμφωνα με την διαδικασία που προαναφέρθηκε ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο.