سیلیکون مولکولی: راز پنهان نیمه‌رساناها در ساختار اتمی
سیلیکون کریستالی، ماده نیمه‌رسانای پیشگام در اولین سلول‌های خورشیدی موفق بوده و همچنان پرکاربردترین ماده در صنعت فتوولتائیک به شمار می‌رود. در حالی که مواد و طراحی‌های دیگری نیز از اثر فتوولتائیک به شیوه‌های کمی متفاوت بهره می‌برند، درک چگونگی عملکرد این اثر در سیلیکون کریستالی، یک دیدگاه اساسی در مورد نحوه عملکرد آن در تمامی دستگاه‌ها به ما می‌دهد. به بیان دیگر، شناخت سیلیکون کریستالی، کلید فهم فناوری فتوولتائیک است.
به عبارت ساده‌تر، سیلیکون کریستالی نقش اساسی در تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته ایفا می‌کند. این ماده، به دلیل ساختار اتمی خاص خود، به عنوان یک نیمه‌رسانا عمل کرده و به ما امکان می‌دهد از نور خورشید برای تولید برق استفاده کنیم. بنابراین، درک ویژگی‌های سیلیکون کریستالی برای هر کسی که به دنبال فهم عمیق‌تری از فناوری‌های انرژی خورشیدی است، ضروری است.
نقش اتم‌ها در دنیای مواد
تمام مواد از اتم‌ها ساخته شده‌اند. اتم‌ها نیز به نوبه خود از ذرات ریزتری به نام پروتون (با بار مثبت)، الکترون (با بار منفی) و نوترون (بدون بار) تشکیل شده‌اند. پروتون‌ها و نوترون‌ها تقریباً هم‌اندازه بوده و هسته اتم را تشکیل می‌دهند. تقریباً تمام جرم اتم در هسته آن متمرکز شده است.
الکترون‌ها که ذرات بسیار سبک‌تری هستند، با سرعت بسیار بالایی به دور هسته می‌چرخند. با وجود اینکه اتم از ذراتی با بارهای مخالف تشکیل شده، اما بار کلی آن خنثی است؛ زیرا تعداد پروتون‌های مثبت و الکترون‌های منفی در آن برابر است. این تعادل بار، پایداری اتم و در نتیجه پایداری مواد را تضمین می‌کند. درک این ساختار اتمی، کلیدی برای فهم خواص و رفتار مواد مختلف است.
توصیف اتمی سیلیکون: نقشی کلیدی در نیمه‌رساناها
در اتم سیلیکون، چهار الکترون در لایه بیرونی یا لایه "ظرفیت" به دور هسته می‌چرخند. این الکترون‌ها می‌توانند به اتم‌های دیگر داده شوند، از آن‌ها گرفته شوند یا با آن‌ها به اشتراک گذاشته شوند.
الکترون‌ها در فاصله‌های متفاوتی از هسته گردش می‌کنند که این فاصله به سطح انرژی آن‌ها بستگی دارد. الکترون‌های با انرژی کمتر، نزدیک‌تر به هسته و الکترون‌های با انرژی بیشتر، دورتر از هسته می‌چرخند.
این الکترون‌هایی که در دورترین فاصله از هسته قرار دارند، با الکترون‌های اتم‌های مجاور تعامل می‌کنند و نحوه تشکیل ساختارهای جامد را تعیین می‌کنند. به عبارت دیگر، الکترون‌های لایه ظرفیت سیلیکون، نقش اساسی در تشکیل پیوندهای شیمیایی و ساختار بلوری آن ایفا می‌کنند و به همین دلیل، سیلیکون به عنوان یک نیمه‌رسانا در صنایع الکترونیک کاربرد فراوانی دارد.
سیلیکون کریستالی و تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته
اتم سیلیکون با وجود داشتن ۱۴ الکترون، تنها ۴ الکترون بیرونی خود (الکترون‌های ظرفیت) را برای پیوند با اتم‌های دیگر به اشتراک می‌گذارد. این ۴ الکترون نقش حیاتی در ایجاد اثر فتوولتائیک ایفا می‌کنند. اما اثر فتوولتائیک چیست؟
اثر فتوولتائیک فرایند فیزیکی بنیادی است که در آن یک سلول خورشیدی، انرژی خورشید را به الکتریسیته قابل استفاده تبدیل می‌کند. نور خورشید از ذرات انرژی به نام فوتون تشکیل شده و هر فوتون دارای مقدار مشخصی انرژی است که با طول موج آن در طیف خورشیدی مطابقت دارد.
تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته تنها زمانی رخ می‌دهد که سیلیکون در فرم کریستالی باشد. تعداد زیادی اتم سیلیکون می‌توانند از طریق الکترون‌های ظرفیت خود به هم متصل شده و یک کریستال را تشکیل دهند. در یک جامد کریستالی، هر اتم سیلیکون به طور معمول یکی از چهار الکترون ظرفیت خود را در یک پیوند کووالانسی با هر یک از چهار اتم سیلیکون مجاور به اشتراک می‌گذارد.
به این ترتیب، جامد از واحدهای پایه ای پنج اتم سیلیکون تشکیل می‌شود: اتم اصلی به همراه چهار اتم دیگری که الکترون‌های ظرفیت خود را با آن به اشتراک می‌گذارد. در واحد پایه ای جامد سیلیکون کریستالی، یک اتم سیلیکون هر یک از چهار الکترون ظرفیت خود را با هر یک از چهار اتم مجاور به اشتراک می‌گذارد. کریستال جامد سیلیکون از یک سری منظم از واحدهای پنج اتم سیلیکون تشکیل شده است. این آرایش منظم و ثابت اتم‌های سیلیکون به عنوان "شبکه بلوری" شناخته می‌شود. این شبکه بلوری، بستر اصلی برای ایجاد جریان الکتریکی در اثر فتوولتائیک است.
