فیزیک سلول های خورشیدی

در تاریکی، ساختار پایه سلول خورشیدی با دارا بودن بخشاینده donor ، پذیرنده acceptor ، آند و کاتد در اصل یک دیود می باشد. در نمودار بالا منحنی پررنگ نمایانگر تغییرات ولتاژ برحسب جریان آن است. این نمودار چگالی جریان برحسب ولتاژ را نمایش می دهد. الکترون ها و حفره ها به روشی معین بر حسب آنکه بایاس مستقیم یا وارون صورت گیرد تزریق می شوند. در بایاس وارون، که در آن الکترونها از آند به کاتد می روند، به سختی جریان پدید می آید. برای آنکه الکترون ها از آند به کاتد بروند، الکترون ها می باید به تراز LUMO بخشنده بجهند. این امر نیازمند انرژی بالایی است. از سوی دیگر، در بایاس مستقیم که الکترون ها از کاتد به آند می روند یک مانع تزریق وجود خواهد داشت. تنها در صورت چیرگی بر این مانع است که جریان شارش خواهد یافت. بایاس وارون جریان ناچیز و قابل چشمپوشی را پدید می آورد و بایاس مستقیم پس از یک مقدار آستانه جریان قابل توجهی را سبب می گردد. منحنی دیگری که با رنگ روشن تر در نمودار پایین تر از منحنی پیشین دیده می شود نشان می دهد که در اثر تابش چه چیزی رخ می دهد. در زیر تابش، فوتون ها در قسمت بخشنده سلول جذب می شوند. چنانچه بدلیل پتانسیل بوجود آمده در فصل مشترک الکترون ها در آن وارد نشوند، بسوی کاتد رفته و حفره ها به سوی آند می روند که در اینصورت یک جریان وارون به نام جریان نوری خواهیم داشت. حتی بدون ولتاژ خارجی ، تحت تابش جریان نوری پدید خواهد آمد.

جریان مدار کوتاه short circuit و ولتاژ مدار باز open voltage

منحنی بالاتر مربوط به یک دیود معمولی متناظر با یک سلول فوتوولتاییک در تاریکی است. منحنی پایین مربوط به سلول فوتوولتاییک تحت تابش است. جریان نوری Photocurrent را جریان مدار کوتاه J_sc می نامند چونکه جریانی است بدون هیچگونه ولتاژ اعمال شده. جریان نوری در واقع یک جریان بایاس وارون است چونکه الکترون ها به سوی کاتد و حفره ها به سوی آند شارش می یابند. چنانچه ولتاژی را اعمال کنید، در بایاس مستقیم، شروع به جبران سازی آن جریان نوری وارونه می کند و در نهایت به نقطه ای می رسید که جریان صفر می گردد. در این نقطه، که به ولتاژ مدار باز V_oc معروف است هیچ جریانی وجود ندارد و از این رو به آن مدار باز می گویند. در تاریکی سیستم مانند یک دیود معمولی کار می کند: دارای یک بایاس مستقیم پس از آستانه معین بوده و جریان بزرگی را تولید می کند، درحالیکه در بایاس وارون جریان ناچیزی می دهد.

اینک فرض کنید که بدون اعمال هرگونه ولتاژ خارجی بر قطعه نور بتابانید. هنگامیکه نور تابانیده می شود، فوتونها جذب شده و در فصل مشترک جدا می شوند. همراه با پتانسیل ایجاد شده، الکترون ها به سوی کاتد و حفره ها به سوی آند می روند و بدین ترتیب یک جریان نوری متناظر با جریان وارون تولید خواهد شد. پس از آن یک بایاس مستقیم درنقطه (0, 0) نمودار اعمال می شود ، درست هنگامیکه منحنی تاریک شروع به شیبدار شدن می کند. این امر سبب ایجاد جریان در سوی مخالف جریان نوری گردیده و آنرا خنثا می نماید. در یک نقطه جریان به صفر می رسد هنگامیکه محور ولتاژ قطع می شود.