MCj04124640000[1]
The Science ofSolar Cells
May 15, 2008
MCj04124640000[1]
Announcements
MCj04124640000[1]
Review of the Lab Report
Handouts
Excel demo
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Sunlight to Electricity
So we are somehow converting light, which has a certain energy, to aflow of electrons (current)
So the question is: How does this conversion process take place?
This was the difficulty people had with trying to make a solar cell…untilaround 1954 in Bell Labs
And it turns out our old friend, the PN junction was the missing link thatwhen discovered, made the first Si solar cell possible back in 1954
Some Application
solar radiation
DC ElectricCurrent out of PVdevice
e-   e-   e-
MCj04124640000[1]
Silicon Material
Solid Si forms as a regularcrystal lattice of material,forming covalent bondsbetween the Si atoms
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
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Silicon Material
Solid Si forms as a regularcrystal lattice of material,forming covalent bondsbetween the Si atoms
If light with enough energy hitsSilicon, these bonds can bebroken momentarily, freeingone of the electrons that madeup the bond and leaving behinda hole
So, in this case, the electrondoes not get very far before it isattracted back to the hole andrecombines with the hole toform the bond again
Remember the electron has anegative charge, the hole has apositive charge
So current does not flow
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
solar radiation
MCj04124640000[1]
Detour: Forming an ElectricField
An electric field forms in the vicinity of any electric charge
A simple way to form an electric field is like this:
Now let’s take a look at two situationsand see what effect the electric field has:
1.A negatively charged object in the electricfield
2.A positively charged object in the electricfield
This simple concept turns out to be key tothe operation of a Si solar cell, the keythat alluded researchers for manyyears…
In many cases the simplest ideas are theNobel Prize winning solutions!
-
+
MCj04124640000[1]
Silicon Material
Now consider the same situationwe were looking at before, butnow let there be an electric fieldacting inside the Si material
Now, when the same light hitsthe material and againmomentarily breaks the bond—what will happen?
Solar radiation again breaks thebond
Now though, electron is free toflow or conduct through thematerial
So an electric field would beuseful to separate the electronfrom the hole after the lightbreaks the bond!
It would allow current to flow!
How can we generate an electricfield inside the Si? (hint: it willinvolve the PN junction)
solar radiation
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
+
-
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Silicon
Quick chemistry crash-course! (déjà-vu, I know)
This time we’ll be looking specifically at Silicon, the commonmaterial used for solar cells today.  But the basic conceptextends to other types of solar devices and materials
Silicon (Si): Group 4  4 electrons in outer shell
Periodic Table
Si
MCj04124640000[1]
Silicon Material
Solid Si forms as a regular crystal lattice of material,with the Si atoms sharing 8 electrons between them
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Let’s see how we canform a PN junction in Simaterial
MCj04124640000[1]
The Silicon PN Junction:N Doping
What if a Si atom is replaced with a Phosphorus (P) atom?
Atomic number of 15: Meaning it has 15 total protons (positive charges)and 15 total electrons (negative) giving a net zero charge
Remember, P is in Group 5
So P has 5 electrons in its outer shell
Periodic Table
 P
5 outer(valenceelectrons)
MCj04124640000[1]
The Silicon PN Junction:N Doping
What if a Si atom is replaced with a Phosphorus (P) atom?
Remember, P is in Group 5
So P has 5 electrons in its outer shell
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
MCj04124640000[1]
The Silicon PN Junction:N Doping
What if a Si atom is replaced with a Phosphorus (P) atom?
Remember, P is in Group 5
So P has 5 electrons in its outer shell
Electrons are the mobilecharge carriers
Si ‘doped’ with P is knownas N-type since thecarriers of charge areelectrons--which have aNegative charge
N-type Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
P
P
P
 P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
MCj04124640000[1]
The Silicon PN Junction:P Doping
What if a Si atom is replaced with a Boron (B) atom?
Atomic number of 5: Meaning it has 5 total protons (positive charges) and 5total electrons (negative charges) giving the atom a net zero charge
And remember, B is in Group 3
So Mg has 3 electrons in its outer shell
Periodic Table
 B
3 outer(valenceelectrons)
MCj04124640000[1]
The Silicon PN Junction:P Doping
What if a Si atom is replaced with a Boron (B) atom?
Remember, B is in Group 3
So B has 3 electrons in its outer shell
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
MCj04124640000[1]
The Silicon PN Junction:P Doping
What if a Si atom is replaced with a Boron (B) atom?
Remember, B is in Group 3
So B has 3 electrons in its outer shell
Do you think this materialwill allow current to flow?
Yes, now there is a freeelectron that is free tomove and carry charge
SiN ‘doped’ with Mg isknown as P-type since thecarriers of charge are‘holes’--which have aneffectively Positive charge
P-type Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
B
B
B
 B
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
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The PN Junction Revisited
N-type material has negatively charged free electrons ableto carry charge
P-type material has positively charged free ‘holes’ able tocarry charge
When a p-material is brought into contact with a n-material,the resulting device is called a PN junction
Let’s look in further detail at what happens when this PNjunction forms…
P-type
+
+
+
+
+
+
+
N-type
-
-
-
-
-
-
-
MCj04124640000[1]
The PN Junction Revisited(In Further Depth)
What will happen when the positively charged holes meet up with the negatively chargedelectrons at the PN junction? (when the PN junction is created)
Hint: What happens when you spray cologne on one of a room
Diffusion: Movement of particles from a region of high concentration to one of lowconcentration
Electrons diffuse to P side take the spot of the holes
Holes diffuse to the N side to cancel out electrons
P-type
+
+
+
+
+
+
+
        N-type
-
-
-
-
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+
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The PN Junction Revisited(In Further Depth)
What will happen when the positively charged holes meet up with the negatively chargedelectrons at the PN junction? (when the PN junction is created)
Hint: What happens when you spray cologne on one of a room
Diffusion: Movement of particles from a region of high concentration to one of lowconcentration
Electrons diffuse to P side take the spot of the holes
Holes diffuse to the N side to cancel out electrons
A region is left surrounding the PN junction that is depleted of free electrons and holes—called the ‘Depletion Region’
P-type
+
+
+
+
+
+
+
        N-type
-
-
-
-
-
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-
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-
-
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+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
MCj04124640000[1]
The PN Junction Revisited(In Further Depth)
But what’s left behind when the electrons leave the n side and the holes leavethe p side?
An electric field between the positively charged P atoms and the negativelycharged B atoms forms automatically when the PN junction is made!
This electric field prevents electrons from recombining with holes when light fromthe sun breaks a bond
P-type
+
+
+
+
+
+
+
        N-type
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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-
-
-
-
-
P+
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
 B
 P
Beforeelectrondiffusion- Batom: zerocharge
Before electrondiffusion- Patom: zerocharge
 B-
After electrondiffusion- B atomwith extraelectron: netnegativecharge
 P+
After electrondiffusion: Patom missingan electron:net positivecharge
P+
P+
P+
P+
B-
B-
B-
B-
B-
-
+
MCj04124640000[1]
The PN Junction Revisited(In Further Depth)
P-type
+
+
+
+
+
+
+
        N-type
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
P+
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
 B
 P
Beforeelectrondiffusion- Batom: zerocharge
Before electrondiffusion- Patom: zerocharge
 B-
After electrondiffusion- B atomwith extraelectron: netnegativecharge
 P+
After electrondiffusion: Patom missingan electron:net positivecharge
P+
P+
P+
P+
B-
B-
B-
B-
B-
-
+
solar radiationbreaks bonds
Creates electrons and holes: Electricfield sweeps electrons to the rightand holes to the left
MCj04124640000[1]
Silicon Material
Now consider the same situationwe were looking at before, butnow let there be an electric fieldacting inside the Si material
Now, when the same light hitsthe material and againmomentarily breaks the bond—what will happen?
Solar radiation again breaks thebond
Now though, electron is free toflow or conduct through thematerial
So an electric field would beuseful to separate the electronfrom the hole after the lightbreaks the bond!
It would allow current to flow!
How can we generate an electricfield inside the Si? (hint: it willinvolve the PN junction)
solar radiation
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
+
-
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Power of the Sun Video
Time allowing (10 min)
MCj04124640000[1]
Lessons From the Lab
Does what you saw in the lab make sensewith what you’ve learned today?
Voltage stays constant—dependent on the solarmaterial
Current changes with light intensity--moreelectrons from more light
MCj04124640000[1]
Summary
Separation of charges is key to the operationof a solar device
In Silicon solar cells, the electrons and holesare separated using a PN junction
MCj04124640000[1]
Another Way to Think Aboutit: Energy Band Diagram
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Valence Band: Energy level ofouter (valance) electrons whenthey are being used to form a bond
Conduction Band:
The next available energy level ofelectrons above the valance bandwhere they are broken free of the bondand can conduct through the material
solar radiationwith the rightenergy
Energy level diagramfor Silicon
Bandgap Energy: (EGAP)The Approximate energyneeded to break a Si bond
IncreasingEnergy
This is why differentmaterials absorbdifferent parts of thesun’s energy!