Töömodul

Edasijõudnute tase

Edasijõudnute tase süvendab seost footonite neeldumise ja elektrivoolu voolu vahel välises vooluringis. Õpilased jälgivad, kuidas valgusenergia muudetakse P-N siirde sees eraldatud laenguteks ning kuidas need laengukandjad liiguvad pooljuhi ja metalliliste kontaktide kaudu, et toota energiat.

Sündmuste jada mõistmiseks tutvustatakse energivööndite paindumise mõistet P-N siirdel: kui N-tüüpi ja P-tüüpi piirkonnad puutuvad kokku, difundeeruvad elektronid N-st P-sse ja augud P-st N-i, kuni saavutatakse tasakaal. See tekitab tühjenemispiirkonna, mis on vaba liikuvatest laengukandjatest, kus N-pooles on fikseeritud positiivsed laengud ja P-pooles fikseeritud negatiivsed laengud. Tekkinud elektriväli (~10⁵ V/cm) on piisavalt tugev, et eraldada footonite poolt tekitatud elektron-auk paarid enne nende rekombineerumist.

Laengukandjate liikumist ja elektrivoolu teket illustreeritakse liitreaalsuse simulatsiooni abil, mis on loodud Delightex Studio – Spaces (Marker) platvormil:
https://edu.delightex.com/Studio/Spaces

Mobiilseadmete abil uurivad õpilased päikesepatarei kolmemõõtmelist mudelit:

1. Jälgi, kuidas footonid tabavad pinda ja tungivad pooljuhti
2. Visualiseeri elektron-auk paaride teket, kui footoni energia ületab keelutsooni laiuse
3. Jälgi, kuidas siirde elektriväli suunab elektronid N-kihti ja augud P-kihti
4. Vaata, kuidas elektronid liiguvad läbi välise vooluringi (juhe, koormus, tagasitee)
5. Jälgi kogu vooluringi tsüklit alates laengute tekkest kuni koormuseni ja tagasi

Tegevuse käigus esitatakse suunavaid küsimusi:
– Millises päikesepatarei punktis muutub valgus eraldatud elektrilaenguteks?
P-N siirdel, kus sisseehitatud elektriväli eraldab footonite poolt tekitatud elektronid ja augud enne nende rekombineerumist.

– Miks voolab vool läbi välise vooluringi, kui päikesepatarei on valgustatud?
Sest siire tekitab pidevalt pingevahe (fotopinge) N- ja P-poolte vahel, sundides elektrone voolama läbi vooluringi, et vähendada potentsiaalide erinevust.

– Kuidas toodab päikesepatarei energiat ilma kütust tarbimata või liikuvate osadeta?
Muunates footonite energia otse laengute eraldamiseks kvantabsorptsiooni kaudu ning väljastades need eraldatud laengud vooluna läbi metallkontaktide – tahkiseline energia muundamine ilma mehaaniliste või keemiliste muutusteta.