Fotovoltaisk effekt og dens varianter

For første gang blev den såkaldte fotovoltaiske (eller fotovoltaiske) effekt observeret i 1839 af den franske fysiker Alexandre Edmond Becquerel.

Ved at eksperimentere i sin fars laboratorium opdagede han, at ved at belyse platinplader nedsænket i en elektrolytisk opløsning, viste et galvanometer forbundet til pladerne tilstedeværelsen af Elektromotorisk kraft… Snart fandt den nittenårige Edmund en nyttig applikation til sin opdagelse - han skabte en aktinograf - en enhed til at registrere intensiteten af ​​indfaldende lys.

I dag omfatter fotovoltaiske effekter en hel gruppe af fænomener, på den ene eller anden måde, relateret til udseendet af en elektrisk strøm i et lukket kredsløb, som omfatter en belyst halvleder eller dielektrisk prøve, eller EMF-fænomenet på en belyst prøve, hvis eksternt kredsløb er åbent. I dette tilfælde skelnes der mellem to typer fotovoltaiske effekter.

Den første type fotovoltaiske effekter omfatter: høj elektrisk foto-EMF, volumen foto-EMF, ventil foto-EMF, samt den fotoepizoelektriske effekt og Dember-effekten.

Fotovoltaiske effekter af den anden type omfatter: virkningen af ​​medrydelse af elektroner af fotoner, såvel som overflade-, cirkulære og lineære fotovoltaiske effekter.

Effekter af den første og anden type

Fotovoltaiske effekter af den første type er forårsaget af en proces, hvor en lyseffekt genererer mobile elektriske ladningsbærere af to karakterer - elektroner og huller, hvilket fører til deres adskillelse i prøverummet.

Muligheden for adskillelse er i dette tilfælde enten relateret til prøvens inhomogenitet (dens overflade kan betragtes som prøvens inhomogenitet) eller til inhomogeniteten af ​​belysningen, når lys absorberes tæt på overfladen, eller når kun en del af prøveoverfladen er oplyst , så EMF opstår på grund af en stigning i hastigheden af ​​termisk bevægelse af elektroner under påvirkning af lys, der falder på dem.

Fotovoltaiske effekter af den anden type er forbundet med asymmetrien af ​​de elementære processer af excitation af ladningsbærere af lys, asymmetrien af ​​deres spredning og rekombination.

Effekter af denne type opstår uden yderligere dannelse af par af modsatte ladningsbærere, de er forårsaget af interband overgange eller kan relateres til excitation af ladningsbærere af urenheder, desuden kan de være forårsaget af absorption af lysenergi af gratis transportører.

Lad os derefter se på mekanismerne for fotovoltaiske effekter. Vi vil først se på solcelleeffekter af den første type, og derefter vende vores opmærksomhed mod virkningerne af den anden type.

Tykkere effekt

Dember-effekten kan forekomme under ensartet belysning af prøven, simpelthen på grund af forskellen i overfladerekombinationshastigheder på dens modsatte sider. Med ujævn belysning af prøven er Dember-effekten forårsaget af forskellen i diffusionskoefficienterne (forskel i mobilitet) af elektroner og huller.

Dember-effekten, initieret af pulserende belysning, bruges til at generere stråling i terahertz-området. Dember-effekten er mest udtalt i halvledere med høj elektronmobilitet, snævre gab, såsom InSb og InAs.[banner_adsense]

Barrierefoto-EMF

Gate- eller barrierefoto-EMF er et resultat af adskillelsen af ​​elektroner og huller med et elektrisk felt af Schottky-barrieren i tilfælde af en metal-halvleder kontakt, såvel som feltet p-n-kryds eller heterojunction.

Strømmen her dannes af bevægelsen af ​​både ladningsbærere, der genereres direkte i området af pn-forbindelsen, og de bærere, der exciteres i områderne tæt på elektroden og når området af det stærke felt ved diffusion.

Paradskillelse fremmer dannelsen af ​​hulstrøm i p-regionen og elektronstrøm i n-regionen. Hvis kredsløbet er åbent, virker EMF i den direkte retning for p-n-krydset, så dets handling kompenserer for det oprindelige fænomen.

Denne effekt er grundlaget for funktion solceller og meget følsomme strålingsdetektorer med lav respons.

Volumetrisk foto-EMF

Bulk photo-EMF, som navnet antyder, opstår som et resultat af adskillelse af par af ladningsbærere i prøvens bulk ved inhomogeniteter forbundet med en ændring i koncentrationen af ​​doteringsmidlet eller med en ændring i den kemiske sammensætning (hvis halvlederen er sammensat).

Her er årsagen til adskillelsen af ​​parrene den såkaldte Et modelektrisk felt skabt af en ændring i positionen af ​​Fermi-niveauet, som igen afhænger af urenhedskoncentrationen. Eller, hvis vi taler om en halvleder med en kompleks kemisk sammensætning, er opdelingen af ​​par resultatet af en ændring i båndbredden.

Fænomenet med udseendet af bulkfotoelektrik er anvendeligt til sondering af halvledere for at bestemme graden af ​​deres homogenitet. Prøvemodstanden er også relateret til inhomogeniteter.

Højspændingsfoto-EMF

Unormal (højspænding) foto-EMF opstår, når uensartet belysning forårsager et elektrisk felt rettet langs overfladen af ​​prøven. Størrelsen af ​​den resulterende EMF vil være proportional med længden af ​​det oplyste område og kan nå 1000 volt eller mere.

Mekanismen kan være forårsaget enten af ​​Dember-effekten, hvis den diffuse strøm har en overflade-rettet komponent, eller af dannelsen af ​​en p-n-p-n-p struktur, der rager ud til overfladen. Den resulterende højspændings-EMK er den samlede EMF for hvert par af asymmetriske n-p- og p-n-forbindelser.

Fotoepizoelektrisk effekt

Den fotoepizoelektriske effekt er fænomenet med udseendet af en fotostrøm eller fotoemf under deformation af prøven. En af dens mekanismer er udseendet af bulk EMF under inhomogen deformation, hvilket fører til en ændring i halvlederens parametre.

En anden mekanisme for udseendet af fotoepisoelektrisk EMF er den tværgående Dember EMF, som opstår under enakset deformation, hvilket forårsager anisotropi af diffusionskoefficienten af ​​ladningsbærere.

Sidstnævnte mekanisme er mest effektiv i multidal-halvlederdeformationer, hvilket fører til en omfordeling af bærere mellem dale.

Vi har set på alle de solcelleeffekter af den første type, derefter vil vi se på de effekter, der tilskrives den anden type.

Effekten af ​​elektrontiltrækning af fotoner

Denne effekt er relateret til asymmetrien i fordelingen af ​​fotoelektroner over momentum opnået fra fotonerne. I todimensionelle strukturer med optiske minibåndovergange er den glidende fotostrøm hovedsageligt forårsaget af elektronovergange med en vis momentumretning og kan væsentligt overstige den tilsvarende strøm i bulkkrystaller.

Lineær fotovoltaisk effekt

Denne effekt skyldes den asymmetriske fordeling af fotoelektroner i prøven. Her er asymmetrien dannet af to mekanismer, hvoraf den første er ballistisk, relateret til retningsbestemmelsen af ​​pulsen under kvanteovergangene, og den anden er forskydning, på grund af forskydningen af ​​tyngdepunktet af bølgepakken af ​​elektroner under kvanteovergangene.

Den lineære fotovoltaiske effekt er ikke relateret til overførslen af ​​momentum fra fotoner til elektroner, derfor ændres den med en fast lineær polarisation ikke, når lysets udbredelsesretning vendes. Processerne med lysabsorption og spredning og rekombination bidrager til at strøm (disse bidrag kompenseres ved termisk ligevægt).

Denne effekt, anvendt på dielektriske stoffer, gør det muligt at anvende mekanismen for optisk hukommelse, fordi det fører til en ændring i brydningsindekset, som afhænger af lysets intensitet, og fortsætter, selv efter at det er slukket.

Cirkulær fotovoltaisk effekt

Effekten opstår, når den belyses af elliptisk eller cirkulært polariseret lys fra gyrotrope krystaller. EMF vender fortegn, når polariseringen ændres. Årsagen til effekten ligger i forholdet mellem spin og elektronmomentum, som er iboende i gyrotrope krystaller. Når elektroner exciteres af cirkulært polariseret lys, er deres spins optisk orienteret, og følgelig opstår der en retningsbestemt strømimpuls.

?

Tilstedeværelsen af ​​den modsatte effekt er udtrykt i udseendet af optisk aktivitet under påvirkning af en strøm: den transmitterede strøm forårsager orienteringen af ​​spins i gyrotrope krystaller.

De sidste tre effekter tjener i inertimodtagere. laserstråling.

Overflade fotovoltaisk effekt

Den fotovoltaiske overfladeeffekt opstår, når lys reflekteres eller absorberes af frie ladningsbærere i metaller og halvledere på grund af overførsel af momentum fra fotoner til elektroner under skrå lysindfald og også under normalt indfald, hvis normalen til krystallens overflade adskiller sig i retning fra en af ​​de vigtigste krystalakser.

Effekten består i fænomenet spredning af lysexciterede ladningsbærere på overfladen af ​​prøven. I tilfælde af interband-absorption sker det under den betingelse, at en betydelig del af de exciterede bærere når overfladen uden spredning.

Så når elektronerne reflekteres fra overfladen, dannes der en ballistisk strøm, rettet vinkelret på overfladen. Hvis elektronerne ved excitation arrangerer sig i inerti, kan der opstå en strøm rettet langs overfladen.

Betingelsen for forekomsten af ​​denne effekt er forskellen i tegnet på komponenterne, der ikke er nul, af de gennemsnitlige værdier af momentum "mod overfladen" og "fra overfladen" for elektroner, der bevæger sig langs overfladen. Betingelsen opfyldes for eksempel i kubiske krystaller ved excitation af ladningsbærere fra det degenererede valensbånd til ledningsbåndet.

Ved diffus spredning af en overflade mister elektroner, der når den, momentumkomponenten langs overfladen, mens elektroner, der bevæger sig væk fra overfladen, bevarer den. Dette fører til udseendet af en strøm på overfladen.